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Introduction au mélange de poudre

Trouvez les réponses à toutes vos questions dans notre manuel de mélange

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S'il vous plaît contacter l'auteur à powder.process@protonmail.com


Resume
1. Principes de mélange
2. Mélange en batch vs mélange en continu
3. Mélangeurs generalement utilises
Mélangeurs à ruban
Paddle Mixers
Mélangeurs Tumbler
Mélangeurs Ploughshare


Un processus de mélange est au cœur de nombreux procédés de solides en vrac. Le mélange de poudre ou de solides permet d’obtenir un mélange homogène de différents composants et constitue l’une des étapes du processus qui ajoute le plus de valeur. Cependant, mélanger de manière homogène des ingrédients principaux avec des ingrédients mineurs et atteindre une bonne homogénéité (mesuré en pratique par un coefficient de variation par rapport à l'un des composants utilisés comme traceur) n'est pas chose facile. La page ci-dessous vous guidera à travers les principaux équipements de mélange industriels existants, leurs avantages et inconvénients, et introduira également la notion de mélange en continu et de mélange par lots.

La présente page se concentre sur le mélange à sec de solides.

1. Principes de mélange

Nombre Froude

Le mélange de poudre est basé sur le mouvement des particules de la recette à mélanger. Le mouvement peut être de type différent et différents modèles de mélangeurs correspondront à différents principes de mélange.

Les mélangeurs sont souvent classés grâce au numéro de Froude . Ce nombre adimensionnel définira le régime de mélange en fonction de sa valeur.

Le nombre de Froude est défini dans l'équation 1 [Perry]:

Froude number for bulk powder blending

Equation 1 : Nombre de Froude

vec
R = rayon du mélangeur ou rayon de l'agitateur du mélangeur
ω = vitesse angulaire

Il peut être exprimé sous une forme plus pratique pour les mélangeurs de poudre ayant un élément de mélange dans l'équation 2:

Froude number for bulk powder blending

Équation 2: Calcul du nombre de Froude pour un mélangeur équipé d'un outil de mélange (ruban, palettes ...)

Avec
u = élément de mélange de vitesse de pointe
D = diamètre de l'élément de mélange

Le nombre de Froude compare 2 forces: Fr = (forces autres que la gravité - principalement centrifuges) / gravité

Si Fr <1, ​​cela signifie que les forces de gravité seront plus fortes que les forces centrifuges, la poudre restera fixée dans le mélangeur , déplacée, mais pas dans un nuage.
Si Fr> 1, cela signifie que les forces centrifuges auront tendance à être plus fortes. la force de gravité: la poudre aura tendance à être suspendue dans l'air dans le mélangeur .

Parmi les mélangeurs couramment utilisés industriellement pour le mélange de poudres, le tableau ci-dessous propose une classification selon le nombre de Froude

Tableau 1: Mélangeur classé selon son numéro de Froude et son principe de mélange

Fr Classe de mixage Type de mixeur Avantages Les inconvénients
<1 La diffusion Type mélangeurs à chute libre
V Blenders
double cône blenders
Bin Mélangeurs
Batteries blenders
Très simple
Faible consommation d'énergie
Mélange en douceur
Pas d'éléments mélangeurs dans l'équipement
Fiabilité
Accès pour le nettoyage
Mélange long.
Impossible d'obtenir un bon mélange pour des poudres de tailles de particules très différentes.
On peut observer des effets de ségrégation.
<1 Convection Type mélangeur de poussée Mélangeurs à
ruban Mélangeurs à
vis
Obtenez généralement de meilleurs résultats de mélange que les mélangeurs à diffusion
Faible consommation d'énergie
Généralement moins coûteux que les mélangeurs à palettes ou à socs
Mélange long
Complexité mécanique
Accès pour le nettoyage
Peut endommager le produit lors d'un malaxage prolongé
> 1 Convection Mélangeurs
pneumatiques
Temps de mélange court Mélange en
douceur
Faible consommation d'énergie
Bon accès pour le nettoyage (certaines conceptions peuvent être réalisées avec des arbres extractibles.
Pour les mélangeurs à palettes, existe en exécution de mélange continu.
Pour les mélangeurs à palettes, une injection de liquide peut être envisagée.
Le coût par rapport à culbuteurs de diffusion / ruban blenders
Si l' injection de liquide, sujettes à l' agglomération - a besoin alors certains éléments de mélange supplémentaires à cisaillement élevé
pour lit fluidisé pneumatique généré, il faut faire attention aux risques de ségrégation en raison des amendes « flottant » en haut de la mixer
>> 1 Cisaillement par convection Mélangeurs Plow Share
Éléments de mélange à cisaillement élevé
Temps de mélange court
Réduction des risques d'agglomération de la poudre
Existe en exécution de mélange continu
Plus la rupture de poudre d'
entrée haute énergie
Coût




Un autre type de classification pourrait être proposé en fonction du type de procédé où les mélangeurs sont intégrés: batch ou continu. Si le mélangeur en lots représente probablement la majorité des applications industrielles, certains types de mélangeurs (mélangeurs à palettes) peuvent être utilisés en mode continu, ce qui peut être utile pour certains types de processus.

Temps de mélange

Les éléments suivants vont influencer le temps de mélange. En règle générale, les exploitants de mélangeurs recherchent un temps de mélange aussi court que possible afin d'augmenter la productivité de leur ligne.

Tableau 2: paramètres influençant le temps de mélange

Paramètre de fonctionnement Influence sur le temps de mélange
Volume de mélange Un volume de mélange plus élevé entraîne un temps de mélange plus long
Mais doubler le volume ne signifie pas doubler le temps de mélange
Pour les mélangeurs à Fr> 1, après un certain volume, le temps de mélange sera presque constant.
Remarque: un mélangeur ne doit pas être trop rempli sinon le mélange peut même devenir impossible
Vitesse de mélange Une vitesse de mélange plus élevée donne généralement un temps de mélange plus court. Une
influence sur la poudre doit cependant être prise en compte (rupture de la poudre).
Nombre de Froude Un nombre élevé de Fr devrait donner un temps de mélange plus court
La cassure de la poudre sera une préoccupation lorsque Fr >> 1
Type de solides Plus les tailles de particules des composants du mélange sont différentes, plus il sera difficile de mélanger

L'influence du nombre de Froude et du volume du mélangeur est représentée dans le graphique ci-dessous:

Mixing time of solids blenders

Figure 1: Temps de mélange = f (Fr, Volume) [Gericke]

Le temps de mélange dépend également de la séquence et du lieu de remplissage des ingrédients. En particulier, la position d'addition de micro-ingrédients est d'une importance primordiale. Si les micro-ingrédients sont ajoutés sur le côté d'un mélangeur, le temps de mélange peut être considérablement affecté. En tant que bonne pratique, les processus doivent être conçus pour que les petits ingrédients mineurs et les micro-ingrédients soient introduits au centre du mélangeur, en tout cas dans la zone "active" du mélangeur (la zone de fluidisation par exemple).

2. Batch vs Continu

La conception d'un processus de mélange de solides en discontinu ou en continu est une question qui sera posée au tout début du projet car les processus nécessiteront des équipements de traitement très différents.

Le principe de fonctionnement est radicalement différent. Pour le lot, il y aura une séquence de préparation discontinue, avec le dosage des ingrédients, puis le chargement dans le mélangeur, puis le mélange, puis le déchargement du mélangeur. Cette séquence sera ensuite répétée chaque fois qu'un mélange doit être effectué. Pour un processus en continu, tout se passe en même temps et avec un équipement différent du lot en ce sens qu'il est capable de doser en continu les ingrédients dans le mélangeur. Le mélangeur est également capable de déplacer les ingrédients et de les mélanger en même temps, ce qui lui permet de fonctionner en continu.

La grille suivante résume ce que chaque type de processus implique en ce qui concerne les paramètres de conception clés.

Tableau 5: Comparaison des procédés de mélange discontinu et continu

Variable de processus Continu Lot
Capacité De 10 kg / h à très gros Du très petit au grand
Taille du mixeur (à sortie similaire Plus petite Plus grand
Risques de ségrégation Plus petite Plus élevé en raison des étapes qui suivent le mélange (chute soudaine du matériau
Espace requis (à sortie similaire) Plus petite Plus grand
La flexibilité Basse (mélangeur continu conçu pour peu de changements de recettes Plus élevé (l'installation de mélange peut démarrer / arrêter à la demande
Complexité de la recette Inférieur (nombre limité d'ingrédients Plus élevé (le processus peut accueillir plus d'ingrédients
Automatisation Complexe pour le contrôle des mangeoires à perte de poids Généralement simple
Compétence du personnel requise Élevé à cause des systèmes de dosage Inférieur
Espace requis Comparativement bas Relativement grande

Les processus de mélange en continu doivent être alimentés en poudre en continu par des systèmes de dosage spéciaux. Ces systèmes de dosage sont constitués d’alimentateurs à perte de poids. Les alimenteurs peuvent utiliser les unités d'alimentation suivantes: convoyeurs à vis, plateaux vibrants ou bandes de pesée. Chaque alimentateur est sur des cellules de charge et doit être équipé d'un système de contrôle très développé permettant de mesurer la perte de poids au fil du temps, de filtrer les perturbations et d'ajuster la vitesse de l'alimentation pour conserver un point de consigne donné en kg / h.

Pour un mélangeur continu, la précision de l’alimentation influe grandement sur l’homogénéité. Un mélangeur continu doit pouvoir fournir un mélange radial mais également axial. En principe, on obtiendra de meilleurs résultats en écoulement piston, avec une dispersion axiale minimale. Cependant, si l'alimentation continue n'est pas stable, une inhomogénéité sera constatée à la sortie du mélangeur continu. En pratique, une dispersion axiale est nécessaire pour remédier aux imprécisions de l’alimentation.

Une faible précision de l’alimentation signifie que: la dispersion axiale est nécessaire, donc un volume de mélange supérieur est requis, ainsi un temps de mélange supérieur est requis

3. Mélangeurs communs

Les mélangeurs communs suivants seront présentés ci-dessous

Ribbon Blender
Paddle mixer
Tumbler mixer

Mélangeur a ruban

Principe de mélange

Ribbon blender

(dessin de US Machinery sous licence Creative Commons)

Figure 2: mélangeur à ruban

Principales caractéristiques

Tableau 3: caractéristiques process du mélangeur à ruban

Outil de mélange Ruban
Régime froude Moins que 1
Vitesses de mélange typiques 50-70 tr / min pour les petits mélangeurs, 10-20 tr / min pour les gros volumes
Taille De quelques 100 l à plus de 10000 l
Temps de mélange typique Plus de 5 minutes
Impact sur le produit Peut être grave si le temps de malaxage est long
Nombre de roulements 2 - outil de mélange non en porte à faux
Le couvercle supérieur Boulonné, avec joint
Sortie 1 - généralement rond, certains design hygiénique
Nettoyabilité Limité, pas un bon accès
Accès Généralement portes sur le dessus

Remarque: certaines conceptions de mélangeurs à ruban sont en fait réalisées avec un arbre extractible. Cela favorise la facilité de nettoyage mais complexifie la conception. Le ruban est quand même difficile à nettoyer.

Mélangeurs à pales à double arbre

Principe de mélange

Paddle Mixer

Principales caractéristiques

Tableau 4: Caractéristiques process du Mélangeur à pales à double arbre

Outil de mélange Pales
Régime froude Plus de 1
Vitesses de mélange typiques 50 t / min pour environ 1000 l de mélangeur
Taille De quelques 100 l à 5000 l
Temps de mélange typique 1 à 2 minutes
Impact sur le produit Le mélange est assez doux, avec une faible dégradation de la poudre
Nombre de roulements 1 ou 2 - l'outil de mélange peut être en porte-à-faux
Le couvercle supérieur Boulonné, avec joint ou soudé
Sortie 1 ou 2 tours - conception hygiénique possible, portes anti-bombes possibles
Nettoyabilité Bon, certains design permettent de sortir les fûts
Accès Portes latérales, certaines versions avec porte avant (en porte-à-faux)

Melangeur rotatif

Principe de mélange

Drum - bin blender

Principales caractéristiques

Tableau 5: Caractéristiques process des mélangeurs rotatifs

Outil de mélange Conteneur - en forme de V, double cône, tambour - généralement pas d'outil de mélange
Régime froude Moins que 1
Vitesses de mélange typiques 25 tours
Taille De quelques litres à 2000 litres (lorsque les conteneurs sont mélangés)
Temps de mélange typique 5 à 15 minutes
Impact sur le produit Le mélange est assez doux (si aucun agitateur ajouté), faible dégradation de la poudre attendue
Nombre de roulements Le tambour est agité par un bras rotatif
Le couvercle supérieur Serré
Nettoyabilité Bon lorsque le conteneur est petit, médiocre si grand, il est recommandé de dédier le conteneur à un seul produit
Accès Le mélangeur doit être protégé par une cage de sécurité

Melangeurs a containers

Les conteneurs peuvent être de taille très variable. Les plus petits mélangeurs fonctionneront avec des tambours allant de quelques litres à 200 litres. Ces tambours sont souvent fabriqués en acier inoxydable et peuvent être équipés de déflecteurs sur le capot supérieur. Ces déflecteurs favorisent le mélange et peuvent entraîner une réduction du temps de mélange.

Les grands conteneurs auront généralement un fond conique. Ces conteneurs peuvent avoir une taille de 500 à 2000 l. Certains modèles peuvent en réalité être équipés d'un agitateur. Le mélange associera ensuite l’effet de l’agitateur à l’effet classique d’avalanche de la rotation du récipient.

Sources
[Perry] : Perry's 8th Edition, Solids Mixing, 21-39
[Gericke] : adapted from Different Methodes of Batch and Continuous Mixing of Solids, Bulk Solids Handling, H.R. Gericke,1993