Mise à l'échelle

Définition

Le « scale-up » désigne le transposition d'un procédé développé à l'échelle du laboratoire ou de l'installation pilote à l'échelle industrielle, sans perte de qualité du produit ni de reproductibilité. Dans le domaine de la technologie de mélange, cela signifie que la qualité du mélange, la structure des particules, l'humidité résiduelle et le comportement à la décharge doivent atteindre, dans le grand lot, les mêmes valeurs qu'au cours de l'essai.

Principes de similitude

Le transfert repose sur des considérations de similitude. La similitude géométrique signifie que la chambre de mélange et la géométrie de l’outil augmentent dans les mêmes proportions. La similitude cinématique fait référence à des schémas d’écoulement comparables, tandis que la similitude dynamique concerne un rapport constant entre les forces en jeu.

Dans le cas des systèmes de mélange équipés d’un outil de mélange monté horizontalement, ainsi que des mélangeurs rotatifs à chute libre, à tambour et à projection, le nombre de Froude — c’est-à-dire le rapport entre les forces d’inertie et les forces de gravité — est souvent maintenu constant. Concrètement, cela signifie que lorsque le rayon de l’outil augmente, la fréquence de rotation diminue, tandis que la vitesse périphérique reste dans une plage comparable.

Dans le cas des mélangeurs verticaux à brassage forcé, le nombre de Froude n’est pas un critère de conception ou de mise à l’échelle. Ce qui est déterminant ici, c’est que le principe de mélange reste le même quelle que soit la taille de l’appareil et que le brassage couvre l’ensemble de la chambre de mélange indépendamment du taux de remplissage ; la transposabilité est vérifiée au centre d’essais techniques avec le produit original.

Ce qui ne peut pas être mis à l’échelle

Tous les effets ne se traduisent pas par un indice caractéristique. La fragmentation des particules, l’abrasion, la formation de poussière, la ségrégation lors du déchargement, la perte des propriétés instantanées et la dissipation thermique à travers la paroi du récipient se comportent différemment à grande échelle, car le rapport surface/volume diminue et les temps de séjour augmentent. Ces effets n’apparaissent qu’à une échelle expérimentale dont la taille du lot se rapproche de celle du futur lot de production.

Procédure

Une mise à l’échelle fiable commence par un essai de mélange sur le produit d’origine. Dans le cadre d’une étude paramétrique, le temps de mélange, la fréquence de rotation, le taux de remplissage, le point d’ajout et l’ordre d’ajout des composants, ainsi que le type et la quantité d’additifs liquides, sont systématiquement modifiés. La qualité du mélange est évaluée à l’aide du coefficient de variation, du degré de vidange, de la préservation des particules, de l’apport énergétique et de la température du produit.

Les valeurs validées sont documentées et intégrées dans le système de commande de l’installation sous forme de fiche de recette. Ce n’est que grâce à cette documentation que le risque lié au passage à l’échelle devient calculable et qu’elle justifie la décision d’investissement.

Délimitation

Le « scale-up » n’est pas synonyme d’augmentation de capacité. Si l’on se contente d’acquérir une deuxième installation de même taille, les paramètres de procédé restent inchangés. On parle de « scale-up » lorsque la taille des lots augmente et que le mode de fonctionnement doit donc être adapté.