Il est crucial, lors de la réalisation d'une opération de mélange de solides en vrac (poudre, granulés...) d'atteindre une homogénéité qui rend le mélange adapté à la vente ou à un traitement ultérieur. Les ingénieurs se demandent souvent pourquoi un mélange n'est pas suffisamment homogène : l'un des paramètres clés à vérifier est la taille de la particule mélangeée.

1. Homogénéité du mélange

Lors de la réalisation d'une opération de mélange, l'homogénéité à la fin du temps de mélange est le paramètre de qualité qui compte le plus. Atteindre la bonne qualité de mélange permettra de répondre aux propriétés requises pour que le mélange fonctionne correctement à une étape de traitement ultérieure, ou directement avec le client. L'homogénéité doit être définie relativement à une taille d'échantillon, choisie en fonction de l'utilisation finale du mélange, et à travers des statistiques en échantillonnant plusieurs échantillons à partir d'un mélangeur et en déterminant pour chaque échantillon une mesure clé qui représentera la qualité de mélange (la concentration d'un composant, par exemple).

Cependant, il arrive que, malgré un temps de mélange correct, une vitesse de mélangecorrecte, l'homogénéité du mélange dans le mélangeur, ou après décharge du mélangeur, ne soit pas satisfaisante. Dans de nombreux cas, cela est dû à la différence de tailles de particules entre les différents composants du mélange.

2. Influence de la taille des particules sur l'homogénéité du mélange

Avoir un mélange composé de composants ayant des tailles de particules fortement différentes rend sensible à la ségrégation (démélange). Les solides de tailles de particules différentes ont en effet la tendance à se séparer, avec les petites particules dans une zone et les grosses particules dans une autre zone.

Il y a en effet différents mécanismes de ségrégation et tous peuvent être déclenchés par la présence de particules de tailles différentes :

• La percolation : les petites particules peuvent passer à travers les vides entre les grosses particules, généralement lorsque le mélange est vibré. Inversement, ce phénomène semble faire remonter les particules grossières dans le mélange de poudre.
• L'élutriation : lors de la décharge de poudre d'un équipement dans un silo par exemple, l'air est déplacé du silo récepteur et remonte, il rencontre alors les particules qui tombent, les grosses particules sont relativement insensibles, mais les petites particules resteront en suspension plus longtemps et ne se déposeront qu'à la fin de la décharge, ce qui conduit à une concentration plus élevée en petites particules au sommet du lit fluidisé.
• La ségrégation de trajectoire : en raison de leur taille, les grosses particules tendront à se déplacer plus loin que les petites particules

Comme la différence de taille de particules est la cause racine de la plupart des non-homogénéités des mélanges de solides en vrac, l'une des possibilités pour les industriels est d'adapter les tailles de particules des ingrédients de les recettes pour réduire la distribution et ainsi réduire le risque de ségrégation.

3. Amélioration de l'homogénéité en modifiant la taille des matériaux mélangés

Il existe différentes possibilités pour éviter la ségrégation des particules dans un mélange solide :

• Il peut être possible de s'assurer que le mélange ne soit pas à l'écoulement libre, cela réduit considérablement les risques de ségrégation, notamment pour les opérations de processus suivantes, mais cela peut causer des problèmes de traitement graves si le mélange ne s'écoule pas bien hors des silos.
• Une autre possibilité est de réaliser une granulation (sèche ou humide) qui consiste à agglomérer les particules pour former des particules plus grosses qui ont et conservent une composition définie. Cette méthode est très souvent utilisée dans l'industrie pharmaceutique.
• La dernière possibilité est de réduire les tailles des particules afin que la tendance à la ségrégation soit réduite. Cette réduction de la taille des particules peut être effectuée soit en achetant des ingrédients ayant une distribution de taille de particules plus proche, soit par broyage préalable ou par broyage après mélange

3.1 Spécification des matériaux

La plus efficace, du point de vue du processus et de l'investissement initial, est d'adapter la spécification des matériaux achetés à un fournisseur. La PSD (Distribution de Taille de Particules) peut par exemple être définie de sorte qu'elle corresponde aux tailles de particules des autres composants du mélange. Cependant, cette approche n'est pas toujours possible, et si elle l'est, elle peut s'accompagner d'un coût plus élevé pour l'achat de l'ingrédient.

3.2 Broyage préalable

Si cela n'est pas possible ou économiquement viable d'acheter un ingrédient de la bonne taille, l'alternative est de broyer un ou tous les ingrédients avant l'étape de mélange. Différents équipements, en fonction de la capacité requise et de la taille requise, peuvent être utilisés, tels qu'un déchiqueteur, un broyeur à cône ou un broyeur universel.

Cette méthode apporte cependant différentes complexités opérationnelles, 1èrement parce qu'un broyeur doit être intégré dans le processus, ce qui n'est pas toujours possible en fonction de la disposition, et parce que le broyeur lui-même apporte différents problèmes à gérer : difficultés de réglage du broyeur, nécessité d'une formation pour les opérateurs, risque accru de explosion de poussière pour gérer par des mesures de prévention et d'atténuation.

3.3 Brosage post-mixage

Si il n'est pas possible d'inclure une étape de réduction de taille avant le mélange, une autre possibilité est d'avoir le moulin à la sortie du mélangeur. Cela peut être plus simple d'un point de vue de disposition, bien que le brosage post-mixage puisse entraîner un moulin surdimensionné car tous les composants doivent passer par celui-ci, et le brosage post-mixage peut également causer une ségrégation si, par exemple, l'un des composants, plus fin, sort plus rapidement du moulin que les autres ingrédients. Si une usine souhaite mettre en œuvre un brosage post-mixage pour réduire la ségrégation du mélange, une étude approfondie doit alors être réalisée pour s'assurer que le moulin n'entraîne pas de démélange supplémentaire.