Ségrégation

On parle de ségrégation lorsque des produits en vrac, des poudres ou des granulés se séparent les uns des autres après un processus de mélange ou pendant le transport, le stockage ou le convoyage. Les particules se séparent alors les unes des autres en raison de leurs propriétés différentes, telles que la taille, la densité, la forme ou la texture de surface. Les mécanismes de ségrégation typiques sont la percolation (également appelée ségrégation par tamisage), la ségrégation par densité, la ségrégation par inertie ainsi que la ségrégation due à des différences d'angle de talus et de fluidité. La ségrégation se produit fréquemment lors du remplissage de silos, lors du déversement, lors du transport pneumatique ou sous l'effet de vibrations. Elle peut nuire considérablement à l'homogénéité d'un produit. Pour décrire la ségrégation dans les poudres solides, on utilise généralement des modèles cinétiques, des modèles de mécanique des milieux continus et des paramètres empiriques. Une approche fréquemment utilisée est le modèle d'advection-diffusion-ségrégation. Ce modèle décrit l'interaction entre la ségrégation dirigée et le mélange à contre-courant.

∂c/∂t = − ∇· (v_s c) +∇·(D_(eff) ∇c)

Où c représente la concentration locale d'une fraction de particules, v_s la vitesse de ségrégation et D_(eff) le coefficient de dispersion effectif. Le terme −∇·(v_s c) décrit la ségrégation dirigée, par exemple par percolation ou sous l'influence de la gravité. Le terme ∇·(D_(eff) ∇c) représente le mélange compensatoire résultant du mouvement aléatoire des particules.

Dans le cas d'une ségrégation liée à la taille, où les particules plus petites s'écoulent à travers les plus grandes, on suppose souvent une relation proportionnelle.

v_s = k · g · (Δd/d_m) ; Δd = d_g−d_k)

Ici, v_s représente la vitesse de ségrégation, g l'accélération gravitationnelle, d_g le diamètre des grosses particules, d_k le diamètre des petites particules, Δd la différence de taille des grains, d_(moyen) un diamètre moyen caractéristique et k un facteur de proportionnalité empirique.

Dans le cas d'une ségrégation induite par la densité, on peut formuler de manière analogue :

v_s ∝ g ((ρ_s − ρ_L)/ρ_L)

Où ρ_s est la densité des particules solides et ρ_L la densité de la phase environnante. Cette relation correspond à une analyse de la poussée granulaire. Pour l'évaluation quantitative de la ségrégation, on définit souvent un indice de ségrégation.

S = σ / σ_(max)

Où σ est l'écart-type de la concentration, σ_(max) l'écart-type maximal possible. Lorsque S = 0, on a un mélange idéal, lorsque S = 1, une ségrégation complète. Pour les solides en vrac s'écoulant librement dans des couches inclinées, on utilise souvent le modèle de Gray-Thornton.

∂c/∂t +∇·(c · u) + ∂/∂z (w_s · c · (1 - c)) = ∇·(D · ∇c)

Ici, u est la vitesse moyenne d'écoulement, w_s la vitesse de ségrégation caractéristique et D un coefficient de diffusion.

Le terme w_s c (1 − c) décrit un flux de ségrégation non linéaire, tel qu'il se produit dans les écoulements d'avalanches granulaires.

Dans la pratique de l'industrie des produits en vrac, la ségrégation résulte généralement de l'interaction de plusieurs mécanismes.

• Percolation,
• différences de densité,
• séparation par trajectoire,
• fluidisation induite par l'air ainsi que
• écoulements au niveau des parois et des zones périphériques.

À cet égard, les essais pratiques de mélange et de remplissage fournissent souvent des résultats plus fiables que les modèles purement théoriques, en particulier pour les poudres cohésives dont le comportement à l'écoulement varie. La société Amixon GmbH propose des possibilités d'essais dans des centres techniques bien équipés en Allemagne, en Inde, au Japon, en Chine, en Corée, en Thaïlande et aux États-Unis.