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Mélangeur en V

Mélangeur en V - Mélangeur à double cône

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Résumé de la section
1. Introduction
2. Applications du mélangeur en V
3. Principe de fonctionnement du mélangeur en V
4. Paramètres opérationnels de mélange
5. Spécifications détaillées du mélangeur en V
6. Conceptions spéciales du mélangeur en V
7. Problèmes courants avec les mélangeurs en V
8. Guide d'achat

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1. Introduction

Les mélangeurs en V sont largement répandus dans les industries de procédés, car ils offrent une méthode simple et souvent suffisante pour mélanger des solides en vrac secs (poudres, granulés, pastilles, etc.) en lot. Ils sont simples, fiables et relativement faciles à nettoyer, ce qui en fait un bon choix pour les petites et moyennes entreprises œuvrant dans les domaines de la transformation alimentaire ou des produits pharmaceutiques. Ils peuvent également être utilisés pour le pré-mélange dans tout type d'industries, grandes ou petites. Cette page fournit de nombreuses informations utiles aux concepteurs d’usines, propriétaires ou opérateurs pour choisir un mélangeur en V ou optimiser une unité existante : applications, principe de fonctionnement, volume de mélange, temps de mélange.

2. Applications

Les mélangeurs en V peuvent être utilisés pour mélanger des solides en vrac secs. Ils sont particulièrement employés dans les applications suivantes :

• Transformation alimentaire : pré-mélange, céréales, mélanges de café, poudres laitières, compléments vitaminés, soupes, épices...
• Pharmacie : mélange avant granulation
• Plastiques : mélange de masterbatches, mélange de granulés
• Chimie : mélanges de poudres métalliques, minéraux
• Construction : pré-mélanges d'acier

3. Principe de fonctionnement du mélangeur en V

Les mélangeurs en V sont des mélangeurs rotatifs, également appelés mélangeurs à tambour. L'ensemble de la coque, qui a la forme d'un V et est composée de 2 cylindres soudés à un angle de 75° à 90°, est mise en rotation, permettant de mélanger les composants grâce à un mélange diffusif.

Il n'y a pas d'agitateurs à l'intérieur du mélangeur en V ; tout le mouvement de la poudre est dû à la rotation de la coque, qui crée une "avalanche" de produit. Après un certain nombre de rotations, un mélange optimal est obtenu. En raison de l'absence d'agitateur, il convient de noter que ce type de mélangeur donnera de bons résultats avec des solides fluides, mais moins avec des solides cohésifs, ces derniers ne pouvant pas être suffisamment dispersés par le mouvement de rotation.

Ces mélangeurs sont généralement équipés de 2 ouvertures sur le dessus du "V". La forme en V facilite la vidange du mélangeur à la fin du mélange.

En raison de la rotation (lente) par culbutage et de l'absence d'agitateur, le mélange est généralement assez doux pour les composants, ce qui permet de s'attendre à un endommagement minimal des ingrédients. Cependant, la nécessité de traiter des matériaux fluides peut également être préjudiciable en termes de démélange, un point à contrôler lors de la validation d'un mélangeur en V.

Figure 1 : Schéma d'un mélangeur en V

4. Paramètres opérationnels de mélange

Pour les mélangeurs en V, le temps de mélange est généralement de 10 à 15 min. Les problèmes courants entraînant un temps de mélange long ou ne permettant pas d'atteindre l’ homogénéité (Cv) sont un sur-remplissage du mélangeur ou l'utilisation de matériaux insuffisamment fluides, ou fluides mais avec des différences de taille de particules/ de densité importantes. La manière de charger le mélangeur a également une influence très élevée sur le temps de mélange.

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

• Taille du : 40 % à max 70 % du volume total du mélangeur. Il est très important de laisser un espace libre dans un mélangeur rotatif à chute libre. Les solides doivent en effet disposer d'espace pour rouler, et le niveau de solides en vrac ne doit pas être trop élevé pour permettre une bonne diffusion du matériau entre les 2 "branches" du mélangeur en V. Un remplissage à 70 % peut déjà être trop élevé pour certains mélanges ; des essais doivent donc être organisés pour optimiser le taux de remplissage. Certaines sources signalent une augmentation significative du temps de mélange requis en cas de sur-remplissage : 3 fois plus long à 60 % qu'à 40 %, et 2 fois plus long à 70 % qu'à 50 %.
• Vitesse de mélange : il est recommandé de suivre les conseils du fournisseur. La vitesse de mélange typique pour des mélangeurs de taille moyenne (500-2000 l) est d'environ 10-25 tr/min, selon la taille du mélangeur (plus il est grand, plus la vitesse est lente), avec un nombre de Froude < 1. Les mélangeurs en V ont une vitesse critique, où la force centrifuge équilibre la force gravitationnelle : la vitesse de mélange optimale est généralement comprise entre 50 % et 80 % de la vitesse de rotation critique. Il convient de noter que la vitesse de rotation n’influence pas beaucoup le taux de mélange tant que la vitesse est éloignée de la vitesse critique. Pour les poudres fluides, le paramètre important est plutôt le nombre total de rotations qui conduira à un mélange homogène : cela permet, dans certains cas, d’ estimer une mise à l'échelle en considérant le nombre total de rotations égal pour les deux tailles (note : cette approche doit être utilisée avec précaution, car elle n'est pas toujours valable). Pour les poudres cohésives, au contraire, la vitesse de rotation est importante car le taux de cisaillement favorise le mélange.
• Il est très important de charger ce type de mélangeur de manière symétrique. Par exemple, un temps de mélange très long sera nécessaire si tous les ingrédients 1 se trouvent dans la 1re "branche" tandis que tous les ingrédients 2 sont de l'autre côté. Il est préférable de procéder par couches et, en cas de petits ingrédients, d'essayer de les verser au milieu des principaux. Si le niveau est plus haut que la jonction des 2 cylindres, il faut verser une quantité égale de poudre dans les deux pour optimiser le temps de cycle.

Figure 2 : Volume de mélange recommandé et maximal pour un mélangeur en V

• Les mélangeurs en V sont très efficaces si les petits ingrédients représentent au minimum 1 % de la taille du mélange. Une quantité inférieure peut entraîner un temps de mélange plus long.

La puissance requise pour un mélangeur en V est assez faible, de l'ordre de 1-3 kW/m³.

5. Mélangeur en V - Spécifications détaillées

Volume total, volume utile et puissance du mélangeur

Les mélangeurs en V sont en réalité assez standardisés parmi les fabricants. Voici une gamme typique de mélangeurs avec les capacités suivantes :

Calcul de la capacité d'un mélangeur en V

La capacité d'un mélangeur en V, en termes de débit en kg/h, dépend de la taille du lot (comme expliqué précédemment, le taux de remplissage est de 40 à 70 % max du volume en eau du mélangeur), du temps de mélange et du temps de chargement/déchargement. Un temps de cycle total peut être calculé par t = L + M + D, puis le débit peut être calculé comme m = V * r * ρ * 60 / t

Avec :
t = temps de cycle total en min ; L = temps de chargement en min ; M = temps de mélange en min ; D = temps de déchargement en min ; m = débit en kg/h ; V = volume en eau en m³ ; r = ratio de remplissage (0,4 à 0,7) ; ρ = masse volumique apparente du mélange en kg/m³

Chargement et déchargement

Puisque toute la coque est en rotation, le mélangeur doit être déconnecté du reste du procédé pendant le mélange. Cela implique donc une opération manuelle pour le chargement et le déchargement. Ceux-ci peuvent être effectués directement par l'opérateur, bien que cela puisse générer des émissions de poussière. Pour éviter cela, le mélangeur peut être positionné au-dessus d'une station de basculement et d'une trémie de déchargement à l'aide de flexibles, bien que cela nécessite toujours l'intervention de l'opérateur.

Vannes de décharge

La vanne de décharge des mélangeurs en V est généralement un boisseau papillon actionné manuellement

Instrumentation

Étant donné que le mélangeur est en rotation, il n'est pas équipé de nombreux instruments, qui ne semblent de toute façon pas nécessaires. Le contrôle se limite généralement au temps de mélange et à la vitesse de rotation. Certains fournisseurs proposent des capteurs NIR pour suivre le mélange et aider à optimiser le temps de mélange. Ces capteurs sont en fait placés dans l'axe du mélangeur.

ATEX

Si le mélangeur traite des poudres pouvant provoquer des explosions, il doit faire l'objet d'une analyse des risques ATEX. Cela permet de prendre en compte les risques associés dans le mélangeur, où un nuage de poussière dangereux peut se former, mais aussi autour de celui-ci pendant le chargement, le déchargement ou en cas de déversement de poudre pendant la rotation.

Sécurité

La rotation du mélangeur peut constituer un risque pour la sécurité si un opérateur s'en approche de trop près. Il est nécessaire de mettre en place une cage de sécurité autour du mélangeur, suffisamment haute pour empêcher les personnes de pénétrer dans la zone de mélange. La porte doit être verrouillée lorsque le mélangeur est en rotation, et celui-ci ne doit pas être démarré si la porte est ouverte.

Si des flexibles sont utilisés pour charger ou décharger le mélangeur, il peut également être nécessaire d'avoir des détecteurs de proximité vérifiant la connexion afin d'éviter de démarrer la rotation alors que les flexibles sont encore en place.

6. Conceptions spéciales du mélangeur en V

Conception asymétrique

Il est possible d'envisager 2 coques cylindriques de longueurs différentes, rendant le mélangeur asymétrique. Une telle conception peut en fait favoriser le mélange d'une coque à l'autre et ainsi réduire la ségrégation et diminuer le temps de mélange. Cela peut également être réalisé par des chicanes positionnées dans le mélangeur (il faut cependant être prudent quant aux inconvénients de cette exécution, car elle peut réduire l'accessibilité et la nettoyabilité du mélangeur). Notons que les chicanes améliorent le mélange en réduisant la symétrie, mais n'apportent pas de taux de cisaillement supplémentaire.

Barre d'intensification

Certains fabricants proposent d'installer un agitateur le long de l'axe du mélangeur, tournant à grande vitesse. Cette barre d'intensification apporte un cisaillement supplémentaire, améliorant ainsi les performances de mélange pour les poudres cohésives ou les mélanges ayant tendance à s’agglomérer. Il convient cependant de noter qu’une telle barre risque de provoquer une casse du produit, ce qui doit être pris en compte par l’opérateur du mélangeur.

7. Problèmes courants des mélangeurs en V

Les mélangeurs en V sont généralement des équipements fiables, mais un certain nombre de problèmes peut nécessiter des corrections :

Tableau 1 : problèmes courants des mélangeurs à ruban

Problème	Cause racine et action corrective
Temps de mélange trop long	Mélangeur surchargé – réduire la taille du lot Vitesse de mélange trop faible – augmenter la vitesse de mélange Séquence de chargement incorrecte – s’assurer que les ingrédients mineurs sont chargés entre les principaux et que le chargement est effectué par couches (voir graphique ci-dessus)
Détérioration ou casse du produit	Optimiser le temps de mélange Ne pas utiliser la barre d’intensification ou réduire sa vitesse

8. Guide d’achat des mélangeurs en V – Comment sélectionner un mélangeur en V

8.1 Mélangeurs en V à vendre : Achat d’un nouveau mélangeur en V

Lors de l’acquisition d’un nouveau mélangeur en V pour votre usine, les questions suivantes doivent être posées afin de choisir les bonnes spécifications :

• Quel est le débit attendu de la ligne ? Quelle est la masse volumique du produit à mélanger ? Quel est le temps de mélange attendu et le temps de cycle ? Cela déterminera la taille du mélangeur en V à acheter. N’oubliez pas que le mélangeur en V ne doit pas être rempli à plus de 40-60 % de son volume total (et au maximum 70 %)
  
• Le mélange est-il librement fluide ? Ou est-il nécessaire d’avoir une barre d’intensification pour traiter des mélanges plus cohésifs ? Des essais ont-ils été réalisés pour indiquer si l’utilisation d’une géométrie asymétrique serait bénéfique pour le temps de mélange ?
  
• Est-il possible de charger le mélangeur par couches et éviter un chargement symétrique vertical ?
  
• À quelle vitesse le mélangeur doit-il être vidangé ? Comment ? Cela fournira les informations nécessaires pour la vanne de décharge
• Le mélangeur est-il situé en zone ATEX ? Si oui, il doit être certifié

8.2 Mélangeur en V d’occasion

De nombreux mélangeurs en V d’occasion sont disponibles sur le marché. Lors de la recherche d’un mélangeur de seconde main, il est conseillé d’effectuer les vérifications suivantes : Le mélangeur en V a-t-il été utilisé pour une application similaire à vos besoins ?

• Vérifier les dommages, rayures à l’intérieur de la cuve, marques de chocs sur le corps
• Faire fonctionner le mélangeur, écouter les roulements, mesurer si possible les vibrations
• Si nécessaire, le mélangeur peut-il être nettoyé efficacement ?
• Les portes d’ouverture et la vanne de sortie peuvent-elles être modifiées pour s’adapter à vos besoins en raccordements ?
• Tester les commandes fournies avec le mélangeur : minuterie de mélange et régulateur de vitesse
• Le mélangeur est-il conforme ATEX pour la zone définie ? Sinon, peut-il être rétrofité ?
• Sources

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Expérience de l’auteur

"Scale Up factor determination of V Blender: An overview", V.S.C. Chopra et al, *Der Pharmacia Lettre*, 2010, 2(2) : 408-433
"Mise à l’échelle des opérations de mélange de poudres" (*Scale Up of Powder-Blending Operations*), Muzzio et Alexander, *Pharmaceutical Technology*, 2005
Droits d’auteur www.PowderProcess.net