Le Broyage par Jets

1. Qu'est-ce qu'un broyeur à jets ?

Les broyeurs à jets sont utilisés pour réduire la taille des particules, c'est-à-dire la granulométrie, des solides en vrac grâce à un jet de gaz (air, vapeur) à haute vitesse. Ces solides en vrac peuvent être de différentes natures, typiquement des denrées alimentaires, des produits pharmaceutiques, des poudres métalliques ou des minéraux. Dans la vaste famille des équipements de fragmentation (réduction de taille), et plus particulièrement des broyeurs à impact, les machines de broyage par jets ont la particularité de ne pas avoir de pièces mobiles car l'énergie est fournie par un gaz libéré à haute vitesse dans une chambre de broyage où les particules grossières sont également introduites. Le mécanisme de broyage repose uniquement sur l'impact des particules entre elles ou contre les parois de la chambre de broyage.

Quels sont les avantages des broyeurs à jets ?

Les broyeurs à jets présentent plusieurs avantages qui peuvent les rendre attractifs pour les entreprises :

• Il n'y a pas de pièce mobile dans la chambre de broyage, ce qui les rend fiables et peu sujets aux risques de casse mécanique ou d'usure pouvant entraîner une pollution du produit final
• Ils permettent d'obtenir une distribution granulométrique étroite (DGT)
• Ils permettent d'atteindre des tailles de particules très fines, éventuellement dans la plage 1-10 microns pour certains matériaux

Quels sont les inconvénients des broyeurs à jets ?

En raison de leur technologie, basée sur l'injection d'un gaz (généralement de l'air, ou un gaz inerte comme l'azote, l'argon, bien que la vapeur puisse également être utilisée), les broyeurs à jets présentent également certaines limitations à considérer :

• Consommation énergétique élevée pour comprimer le gaz. Cela signifie que les broyeurs à jets sont principalement utilisés pour des produits spéciaux à haute valeur ajoutée, pour lesquels le procédé devient compétitif
• Nécessité d'avoir un système de séparation intégré pour récupérer le produit du gaz utilisé pour effectuer le broyage : cela engendre des coûts supplémentaires et nécessite une plus grande emprise au sol

2. Comment fonctionne un broyeur à jets ?

Le principe de fonctionnement des broyeurs à jets est expliqué dans cette partie.

2.1 Impact à haute vitesse

Le principe de réduction de taille appliqué dans un broyeur à jets est basé sur des impacts à haute vitesse entre les particules, et entre les particules et la chambre de broyage. Un gaz (généralement de l'air, pour les broyeurs à jets d'air) injecté à haute vitesse fournit l'énergie nécessaire pour générer de multiples impacts à haute vitesse, conduisant à une fragmentation très poussée des particules d'alimentation.

2.2 Gaz de broyage

Le gaz utilisé dans un broyeur à jets est généralement l'un des suivants :

• Air : le gaz le plus courant et le plus disponible, bien que ce ne soit pas le moins cher car le travail de compression requis consomme beaucoup d'énergie. La pression est généralement de 3,5-8,5 bar g [Liu]
• Vapeur : en réalité moins chère que l'air si l'usine est équipée de chaudières efficaces. Cependant, la vapeur ne peut être utilisée que si elle n'interagit pas avec le matériau (chaleur...). Les pressions typiques sont de 7-15 bar g avec des températures de 200-520 °C [Liu]
• Gaz inertes : l'azote ou l'argon peuvent être utilisés dans certaines applications particulières

2.3 Composants des broyeurs à jets

Les fournisseurs proposent 2 types de conceptions [Liu] :

• Broyeurs à jets à lit fluidisé
• Broyeurs à jets plats / circulaires sans classificateur d'air

2.3.1 Broyeurs à jets à lit fluidisé

Ces broyeurs sont équipés d'une chambre de broyage cylindrique verticale dans laquelle le matériau est introduit au milieu de la chambre, et le gaz de broyage est injecté par le bas. L'évacuation de l'air et du produit se fait par le haut de la chambre, mais la sortie est équipée d'un classificateur permettant de sélectionner les particules, en dessous d'une taille cible, qui peuvent quitter le broyeur, et celles qui doivent être recyclées vers la chambre de broyage. Comme le gaz est injecté au bas de la chambre, les particules sont fluidisées avec des courants de circulation s'établissant, d'où la dénomination de broyeur à jets à lit fluidisé.

2.3.2 Broyeurs à jets plats / circulaires sans classificateur d'air

L'autre conception est plus simple : le matériau est introduit dans une chambre de broyage similaire à un disque où le gaz est injecté en plusieurs points. L'air et le matériau broyé sortent ensuite par le centre de la chambre de broyage.

2.3.3 Système d'alimentation

Le système d'alimentation de la chambre de broyage doit agir comme un sas pour éviter que l'air ne s'échappe et empêcher l'entrée de matériau.

2.4 Séparation gaz-solide

Les particules broyées quittent le broyeur avec un grand volume de gaz. Il est ensuite nécessaire de séparer le matériau d'intérêt du gaz. Cela est généralement réalisé grâce à un cyclone, un filtre ou une combinaison des deux.

3. Machines de broyage par jets industrielles

Les broyeurs à jets peuvent être conçus pour des capacités allant de quelques kg/h, typiquement pour un environnement de laboratoire R&D, jusqu'à 6 t/h [Chamayou]. Même s'il est possible d'atteindre de telles capacités élevées, il apparaît que la plupart des broyeurs à jets ont une taille de quelques dizaines à quelques centaines de kg/h, car ils sont principalement utilisés pour desproductions spécifiques dans les secteurs pharmaceutique ou cosmétique. Les très grands broyeurs à jets nécessitent également beaucoup d'énergie pour comprimer de grandes quantités de gaz, ce qui limite leur justification économique à des cas très spécifiques.

4. Applications des broyeurs à jets

Les broyeurs à jets sont utilisés dans une large gamme d'industries pour la micronisation de divers matériaux.

Dans l'industrie pharmaceutique, les broyeurs à jets sont utilisés pour microniser les principes actifs pharmaceutiques, les rendant plus faciles à dissoudre et améliorant leur biodisponibilité.

Dans l'industrie alimentaire, les broyeurs à jets peuvent être utilisés pour microniser les épices, les herbes et autres ingrédients alimentaires afin d'améliorer leur saveur et leur texture.

Dans l'industrie chimique, les broyeurs à jets sont utilisés pour microniser les pigments, les colorants et autres matériaux afin d'améliorer leurs propriétés de couleur et de dispersion.

Les broyeurs à jets peuvent également être utilisés pour la micronisation dans les industries cosmétique, céramique et métallurgique. Les broyeurs à jets offrent des avantages par rapport à d'autres technologies de broyage grâce à leur capacité à produire des particules fines et uniformes et à leurs faibles taux de contamination. Avec la possibilité de contrôler la distribution granulométrique et de l'adapter à des applications spécifiques, les broyeurs à jets sont devenus un outil essentiel dans de nombreuses industries pour la micronisation des matériaux.

Source

[Liu] Broyage par marteau et broyage par jet\n Fondamentaux, Gary Liu, CEP, 2017

[Chamayou] Broyage par jet d'air,\n Chamayou, Elsevier, 2007