Mélangeurs industriels pour poudres (lot, convectif)
Aperçu des conceptions courantes
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| Résumé de la section |
|---|
| 1. Introduction : mélangeurs pour l’homogénéisation des poudres |
| 2. Principe de mélange des solides et mélangeurs de poudres |
| 3. Conception des mélangeurs de solides - Outils de mélange |
| 4. Conception des mélangeurs de solides - Entrée de poudre |
| 5. Conception des mélangeurs de solides - Sortie de poudre |
| 6. Dimensionnement des mélangeurs de solides |
1. Introduction : mélangeurs pour l’homogénéisation des poudres
Il existe différentes conceptions de mélangeurs pouvant être utilisées pour le mélange à sec des solides et rendre le mélange homogène. Ces différentes conceptions reposent d’abord sur le principe de mélange. Le mélange peut en effet résulter de la diffusion, de la convection et du cisaillement.
Les mélangeurs convectifs sont en réalité très souvent utilisés industriellement, car ils permettent généralement des temps de mélange courts comparés aux mélangeurs diffusifs, plus simples mais moins efficaces. L’objet de cette page se concentrera donc sur les mélangeurs convectifs.
Seul le cas des mélangeurs en lot (ou gâchée) est abordé dans cette page. Ces mélangeurs se retrouvent dans de nombreuses industries et peuvent traiter tous types de produits secs :
- Agriculture / alimentation animale : aliments pour bétail, nutriments, grains (mélangeur à ruban, mélangeur à pales)
- Transformation alimentaire / boulangerie : mélange de farine / ingrédients (mélangeur à ruban, mélangeur à pales, mélangeurs à socs)
- Industries laitieres et nutrition infantile : mélange de poudre de base avec des ingrédients mineurs (mélangeur à pales, également mélangeur en cuve)
- Pharmacie (mélangeur à pales , également tambours rotatifs)
- Construction : ciments (mélangeur à ruban, mélangeur à pales, mélangeur à ruban)
- Plastiques : granulés de polymères (tambours rotatifs)
- Peintures : mélange de pigments (mélangeur à ruban, mélangeur à pales, tambours rotatifs)
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2. Vitesse de mélange
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2. Principe de mélange des solides et des mélangeurs de poudres
Les mélangeurs convectifs sont équipés d’un outil de mélange qui agite essentiellement la poudre et force son mouvement.
Ces mélangeurs de solides peuvent fonctionner selon différents régimes, caractérisés par un nombre adimensionnel, le nombre de Froude, qui compare les forces exercées par l’agitateur à la force de gravité. Lorsque le Froude est inférieur à 1, le lit de particules sera agité tout en restant relativement dense, tandis qu’au-delà de 1, le lit fluidisé se formera, cette fluidisation augmentant avec le nombre de Froude.
Tableau 1 : Différents types de mélangeurs convectifs pour poudres
| Groupe de mélangeurs | Froude |
|---|---|
| Mélangeurs à ruban | Fr < 1 |
| Mélangeurs à vis (type Nauta) | Fr < 1 |
| Mélangeurs verticaux (type Amixon) | Fr < 1 |
| Mélangeurs à double arbre à pales | Fr = 1 à 1,1 |
| Lits fluidisés générés par voie pneumatique | Fr > 1 |
| Mélangeurs à socs | Fr = 3 à 9 |
3. Conception des mélangeurs de solides - Outils de mélange
La conception de l'outil de mélange est particulièrement importante dans les mélangeurs convectifs, car elle fournit la force motrice au mouvement des particules, ce qui conduit finalement à l'homogénéité souhaitée.
La manière dont l'agitateur est conçu, ainsi que la vitesse à laquelle il est exploité , influencent le temps de mélange, l'homogénéité finale et les éventuels dommages subis par le produit pendant le processus de mélange.
Les conceptions classiques, l'impact sur le produit, ainsi que les considérations de conception sont présentés dans le tableau suivant.
Tableau 2 : Conception des outils de mélange
| Type de mélangeur | Mélangeur à ruban |
| Conception de l'outil de mélange | Ruban (représentation en vue de dessus ci-dessous) |
| Impact sur le produit | Le ruban pousse le produit, ainsi un temps de mélange long peut
avoir un impact significatif sur les particules. L’influence est plus importante si le mélangeur a été surchargé : le produit ne peut pas se déplacer librement et le ruban crée une attrition sévère sur une durée prolongée de mélange. |
| Type de mélangeur | Mélangeur à vis / mélangeur vertical (type Nauta) |
| Conception de l'outil de mélange | Vis (vue de côté) |
| Impact sur le produit | Plutôt doux. La vis tourne lentement autour du mélangeur. |
| Type de mélangeur | Mélangeur vertical (type Amixon) |
| Conception de l'outil de mélange | Agitateur |
| Impact sur le produit | Ce type de mélangeur semble mieux performant avec les solides à faible écoulement, comparé aux mélangeurs à chute libre ou autres mélangeurs à poussée comme les mélangeurs à ruban et les mélangeurs à vis centrale. |
| Type de mélangeur | Mélangeur à double arbre à pales |
| Conception de l'outil de mélange | 2 arbres avec pales, les pales d'un arbre formant un angle de 45 degrés
avec la pale correspondante de l'autre arbre |
| Impact sur le produit | Très doux si le mélangeur est exploité dans la plage appropriée de
remplissage et de vitesse de mélange. Les pales envoient effectivement la poudre dans une zone fluidisée au centre du mélangeur où le mélange se produit. |
| Considérations de conception | La distance entre les pales et le carter du mélangeur doit toujours être supérieure
à 4-5 mm afin de compenser un léger désalignement de l'outil de mélange dû aux efforts mécaniques,
sans risquer que les pales touchent la paroi. Les conceptions classiques ont 2 paliers/arbres, tandis que d'autres, plus modernes, utilisent des arbres en porte-à-faux. Cette conception permet, si nécessaire pour les besoins du processus (nettoyage), d'avoir des arbres extractibles. |
| Type de mélangeur | Lits fluidisés générés pneumatiquement |
| Conception de l'outil de mélange | Ce type de mélangeur présente l'avantage de ne pas avoir de pièces mobiles, ce qui le rend très simple à fabriquer et offre de meilleures possibilités de nettoyage (pas d'agitateur complexe à nettoyer). |
| Impact sur le produit | Mélange doux |
| Considérations de conception | Bien que la réalisation mécanique de la cuve de mélange soit plus simple,
ces mélangeurs nécessitent de nombreuses vannes et buses pour contrôler, canaliser et injecter
l'air comprimé dans le mélangeur. L'air comprimé est consommé pendant le processus de mélange ; des calculs financiers doivent donc être effectués pour garantir que l'exploitation du mélangeur reste rentable à long terme. Une attention particulière doit être portée aux risques de ségrégation en raison des fines "flottant" en haut du mélangeur. |
| Type de mélangeur | Mélangeurs à socs |
| Conception de l'outil de mélange | Arbre unique avec pales profilées (socs) +
hacheurs supplémentaires si nécessaire |
| Impact sur le produit | Attrition très forte permettant une désagglomération de la poudre. |
| Considérations de conception | Il est possible d'ajouter des agitateurs supplémentaires (hacheurs) de petite taille tournant à très haute vitesse afin de casser les grumeaux qui peuvent se former pendant le processus de mélange (notamment en cas d'ajout de liquide ou lorsque des graisses sont impliquées). |
4. Conception des mélangeurs de solides - Entrée de poudre
La poudre est introduite par le haut du mélangeur. Il peut y avoir une seule entrée si les ingrédients sont pré-pesés dans une même trémie ou ajoutés manuellement dans le mélangeur, ou plusieurs si le processus en amont permet de doser individuellement les ingrédients vers le mélangeur.
Certaines considérations doivent être prises en compte lors de la conception pour répondre aux exigences suivantes : l'entrée doit être suffisamment grande pour permettre un chargement rapide du mélangeur (gain de temps de cycle), chaque entrée doit être fermée par une vanne pour éviter toute entrée incontrôlée de matière dans le mélangeur, l'entrée des ingrédients mineurs doit être positionnée au centre du mélangeur (ou dans la zone de fluidisation, le cas échéant).
Définir fermement la position des entrées dès le début d'un projet est souvent obligatoire, car de nombreux mélangeurs ont des couvercles supérieurs soudés nécessitant des ouvertures précises pour la conception et la fabrication. Il peut être judicieux de prévoir 1 ou 2 entrées supplémentaires pour les évolutions futures du processus.
Sur le dessus du mélangeur doit également être installé un filtre, nécessaire pour évacuer l'air lors du chargement du mélangeur ou pour admettre l'air lors de la vidange.
5. Conception des mélangeurs de solides - Sortie de poudre
Une fois le mélange terminé, il doit être évacué du mélangeur. La vidange doit généralement être rapide afin de ne pas trop impacter le temps de cycle du processus de mélange.
Différentes conceptions existent. Un point commun entre ces conceptions est que la vanne fermant le mélangeur ne doit pas permettre de zones mortes dans la chambre de mélange où le produit pourrait s'accumuler et ne pas être correctement mélangé, ce qui pourrait causer des problèmes de qualité une fois le produit utilisé ou vendu.
Les conceptions courantes incluent des trappes à ouverture totale, des clapets carrés et des vannes rondes hygiéniques.
Les trappes à ouverture totale (ou "bomb doors") sont ainsi nommées car elles couvrent généralement tout le fond du mélangeur. Une fois ouvertes, le mélange tombe immédiatement, car aucune surface ne le retient plus dans le mélangeur. Elles permettent donc une vidange très rapide et complète, avec seulement quelques centaines de grammes de produit restant dans le mélangeur. En revanche, elles nécessitent un système mécanique et pneumatique important pour fonctionner et assurer l'étanchéité pendant le mélange. Une trémie doit être connectée directement sous le mélangeur.
Les clapets carrés sont très courants. Ils peuvent être facilement conçus, mis en œuvre et fabriqués. Comparés aux trappes à ouverture totale, la surface de vidange est beaucoup plus réduite, ce qui augmente le temps de vidange. Une telle conception peut ne pas être très hygiénique, selon le soin apporté par le fournisseur dans la fabrication et la conception de la forme du clapet.
Les conceptions rondes hygiéniques ne sont proposées que par certains fabricants. Elles offrent le meilleur niveau d'hygiène, lorsque cette caractéristique est importante pour l'exploitant de l'installation. En revanche, ces vannes sont généralement de petite taille, nécessitant un temps de vidange long. Pour accélérer la vidange, il peut être nécessaire d'installer 2 vannes. Quelques kg de produit peuvent rester dans le mélangeur après la vidange.
Il est à noter que le mélangeur doit fonctionner à basse vitesse pendant la vidange, afin de pousser un maximum de produit et d'assurer un débit de vidange élevé.
6. Dimensionnement des mélangeurs de solides
Le mélangeur ne doit pas être le goulot d'étranglement de l'installation de mélange, ce qui signifie qu'il ne doit pas être ralenti par les sections du processus en amont ou en aval. La capacité de l'installation doit être donnée et une taille de lot doit être choisie en conséquence, en tenant compte également d'un nombre estimé de lots par heure.
Taille du lot (kg) = Capacité (kg/h) / Nombre de lots par heure (/h)
Le processus de mélange étant en réalité volumétrique, il est nécessaire de connaître la masse volumique apparente (non tassée) du mélange pour dimensionner correctement le mélangeur.
Taille du lot (l) = Taille du lot (kg) / Masse volumique apparente du mélange (kg/l)
De plus, il est crucial de considérer que le système ne doit jamais être rempli à 100 % de sa capacité, afin de laisser de l'espace pour le mouvement des particules.
Taille totale du mélangeur (l) = Taille du lot (l) / 0,7
Les mélangeurs ont généralement un coefficient de remplissage maximal compris entre 0,65 et 0,8.
7. Achat d'un mélangeur pour le mélange de poudres : fabricants de mélangeurs
Afin d'obtenir des devis et des prix pour des mélangeurs dédiés au mélange de poudres/ granulés, le lecteur peut se référer aux entreprises suivantes, qui fournissent différents types de mélangeurs pour solides en vrac :
- Lessine : https://www.lessine.com/fr/solutions/melange/melangeur-a-pales
- Stolz : http://www.stolz.fr/fr/equipements/melange
- Palamatic : https://www.palamaticprocess.fr/machines-industrielles/melangeur-industriel
- Sofraden : https://www.sofraden.com/
- Parimix : http://www.parimix.com/