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Mélangeurs à cisaillement (haute vitesse) pour le mélange de poudres

Mélangeur centrifuge / Mélangeur à socs / Agglomérateur / Granulateur

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Résumé de la section
1. Introduction
2. Principe de mélange
3. Paramètres de fonctionnement du mélange
4. Spécifications détaillées
5. Dimensionnement du mélangeur
6. Fabricants de mélangeurs à socs

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1. Introduction

Qu'est-ce qu'un mélangeur à cisaillement ? Qu'est-ce qu'un mélangeur à socs ?

Les mélangeurs à cisaillement élevé (dont les mélangeurs à socs) sont développés dans les industries de procédés pour les poudres Mélange, parfois avec un ajout de liquide.

Ils trouvent des applications lorsque les industriels doivent mélanger des poudres particulièrement cohésives, voire en mottes. Ils sont également un choix privilégié lorsqu'il s'agit d'ajouter des liquides au mélange sec afin de l'agglomérer. Il existe différents modèles de mélangeurs à cisaillement, mais l'un des plus populaires est le mélangeur à socs, un mélangeur monarbre, à haute vitesse, utilisant des socs comme instrument de mélange. Les mélangeurs à socs à haute vitesse, tournant à grande vitesse avec un nombre de Froude compris entre 3 et 5, conviennent parfaitement pour mélanger poudres, granulés, fibres et peuvent s'adapter à des ingrédients ayant des tailles de particules très différentes, tout en atteignant des temps de mélange généralement de l'ordre de 2 à 5 minutes.

Cette page web se concentre sur la conception détaillée des mélangeurs à cisaillement élevé pour poudres.

2. Principe de mélange

Les mélangeurs à cisaillement utilisent la convection et le cisaillement pour réaliser le mélange du matériau et sa désagglomération si nécessaire.

La vitesse de mélange doit être réglée suffisamment élevée pour obtenir un effet de cisaillement suffisant et même centrifuger la poudre vers les parois du mélangeur. La conception des pales est étudiée à cet effet, pour cisailler et briser les agglomérats de poudre cohésive.

3. Paramètres de fonctionnement du mélange

Comment optimiser le mélange dans un mélangeur à socs ?

Il est difficile de donner un temps de mélange typique pour les mélangeurs à cisaillement, car il dépend fortement du produit mélangé. Un temps de mélange de l'ordre de 3 min est courant.

La performance du mélangeur, c'est-à-dire le temps nécessaire pour atteindre une homogénéité souhaitée, dépend des paramètres de fonctionnement suivants :

• Taille du lot de mélange : max 70-80% du volume total du mélangeur.. Un espace libre jusqu'au couvercle supérieur doit toujours être disponible. Les volumes disponibles varient d'environ 100 litres à 5000 litres pour les tailles standard et jusqu'à 30 000 litres pour les exécutions spéciales.
• Vitesse de mélange : la vitesse de mélange réelle doit être ajustée pour obtenir un nombre de Froude >> 1. La plage du nombre de Froude va de 2 à 9 dans certains cas. En dessous de 6-7, le lit de solides est fluidisé ; au-dessus de 6-7, les forces centrifuges prédominent et les solides forment une couche tout autour de l'enceinte. Pour Fr = 3, la vitesse de mélange correspondante est généralement de l'ordre de 80-100 tr/min (pour les mélangeurs de petite taille), mais cela dépend du modèle et de la taille.
• Le temps de mélange dépendra grandement de la nature des solides mélangés (très cohésifs ou non) et de l'ajout éventuel d'un liquide au mélange.

L'apport énergétique requis pour un mélangeur à cisaillement est élevé, de l'ordre de > 10 kW/m³.

Lors du mélange de poudres très cohésives ou lors de la pulvérisation d'un liquide pour agglomérer la poudre, les mélangeurs à socs peuvent être équipés d'outils de mélange supplémentaires. Ces outils sont appelés désagglomérateurs, brise-mottes ou couteaux broyeurs et tournent à très haute vitesse. Ils sont généralement montés sur le côté du mélangeur, assez près du fond. En cas d'injection de liquide, tel qu'un liant, pour utiliser le mélangeur comme granulateur, il est préférable de diriger le flux de liquide vers le désagglomérateur afin de briser les mottes le plus tôt possible et ainsi contrôler la taille des granulés.

Figure 1 : Mélangeur à socs

4. Spécifications détaillées

Accès au mélangeur

Des portes latérales sont généralement utilisées pour accéder à ce type de mélangeur, offrant un accès correct à l'intérieur, bien que la présence de désagglomérateurs puisse rendre l'accès un peu moins pratique que sur d'autres types de mélangeurs. Les socs de l'agitateur sont également généralement assez grands, ce qui rend parfois le nettoyage difficile, bien que les modèles récents soient équipés de portes latérales plus larges permettant de surmonter cet inconvénient. Les désagglomérateurs peuvent également être difficiles à nettoyer (des précautions spécifiques sont nécessaires pour éviter de se blesser avec les lames).

Certains modèles permettent d'avoir un arbre extractible pour un nettoyage plus facile.

Instrumentation

Les instruments suivants peuvent être trouvés sur les mélangeurs à socs :

• Capteur de vitesse : permet de confirmer la rotation et la vitesse des arbres
• Capteurs de température : positionnés sur les paliers, permettent de détecter un échauffement anormal dû à des paliers endommagés
• Débitmètre : positionné sur l'alimentation en air comprimé pour le balayage des joints de palier. Le balayage des joints de palier constitue une fonction importante pour éviter la pénétration de produit dans les paliers, ce qui pourrait les endommager ou provoquer une inflammation de la poudre, constituant ainsi une source d'ignition pouvant causer une explosion de poussière.
• Capteur de position de vanne : permet de détecter que la vanne de décharge est fermée
• Verrous : placés sur chaque porte d'accès, assurent la sécurité de la machine en empêchant l'opérateur d'accéder au mélangeur pendant son fonctionnement, ou de démarrer le mélangeur si un point d'accès est ouvert.

ATEX

Afin de traiter les poudres, les mélangeurs à cisaillement, dont la vitesse périphérique des outils de mélange est > 1 m/s, doivent présenter les caractéristiques suivantes :

• Le jeu entre l'extrémité des pales et le corps du mélangeur doit être suffisamment grand pour éviter tout contact agitateur / enceinte
• Les joints de palier doivent être pressurisés
• Lors du chargement et de la décharge, la vitesse du mélangeur doit être telle que la vitesse périphérique des pales soit < 1 m/s

La vitesse périphérique de l'agitateur peut être calculée grâce à la formule suivante :

Avec :
- R est le rayon de l'outil de mélange (du centre de l'arbre à l'extrémité du soc) en m
- n est la vitesse de mélange en tr/min

Équation 1 : Vitesse périphérique

Autres aspects

Ce type de mélangeur peut être largement personnalisé selon les besoins de l'opérateur. Il existe des modèles avec différents outils de mélange, à double enveloppe, injection de liquide ou même des mélangeurs à socs en continu peut être conçu.

5. Dimensionnement du mélangeur de solides

Le mélangeur doit être le goulot d'étranglement de l’**installation** de mélange, ce qui signifie qu’il ne doit pas être ralenti par les sections du procédé 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** / h

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) (vrac) du mélange pour dimensionner correctement le mélangeur.

Taille du **lot** (l) = Taille du **lot** (kg) / Masse volumique apparente du mélange (kg/l)

En outre, il est crucial de prévoir que le système ne doit jamais être rempli à 100 % de sa capacité, afin de laisser un espace pour le mouvement des particules.

Volume total 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.

6. Fabricants

Plusieurs entreprises proposent des mélangeurs à cisaillement élevé, cependant, l’entreprise Lodige est reconnue comme ayant été l’un des principaux développeurs et producteurs de mélangeurs à socs pour le mélange de poudres et la granulation, au point que ces mélangeurs sont souvent appelés « mélangeurs Lodige » (ou *"Lodige mixers"*).

(Note : *powderprocess.net* n’a aucun lien avec cette entreprise)

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Sources

*Mixing in the Process Industries*, Harnby, Edwards, Wienow, Butterworth Heinemann, 1992
*Food Mixing : Principles and Applications*, Cullen, Wiley-Blackwell, 2009
*Perry's Chemical Engineer's Handbook*, McGraw Hill, 2008