Bourrages dans les silos : voûtage et pontage

L’écoulement des poudres hors d’un silo s’arrête principalement pour 2 raisons : soit la formation de voûtes (voûtage, pontage), soit des cheminées stables. Découvrez sur cette page les causes profondes de ces phénomènes et comment les éviter.

1. Bourrage des poudres dans les silos

Tout opérateur d’usine disposant d’un silo ou d’une trémie dans son procédé a déjà rencontré cette situation : une opération en aval, comme une ligne de transport, une étape de mélange ou de remplissage, demande de la poudre, mais celle-ci ne s’écoule pas du silo !

La plupart du temps, si possible d’ouvrir et d’inspecter la trémie, on constatera que la pointe du cône, au-dessus de la vanne de décharge, est vide, mais que la poudre est bloquée au-dessus, formant une sorte de voûte ou de pont.

Dans d’autres cas, on observera un entonnoir traversant le silo de haut en bas, dégagé de produit, mais avec tout le matériau restant sur les côtés de l’entonnoir, sans tomber.

Le 1^er cas est appelé *voûtage* ou *pontage*, et le second cas est appelé *cheminée stable* ou *canalisation*.

Le voûtage et les cheminées stables sont liés aux propriétés d’écoulement des solides en vrac. Pour comprendre de quoi dépend l’écoulement, il est intéressant d’examiner les forces s’exerçant entre les particules :

F = F_{_v} + F_{_c} + F_{_e} + F_{_es} [Lawrence]

Avec

F = force totale d’adhésion entre les particules
F_{_v} = force de Van der Waals
F_{_c} = force capillaire (liée à l’humidité du produit)
F_{_e} = force électrique
F^_es = force électrostatique

L’écoulement ne dépend pas uniquement des forces entre particules. Par exemple, la géométrie des particules peut favoriser un plus ou moins grand imbrication, influençant ainsi leur écoulement. Cependant, plus les forces d’adhésion entre particules sont faibles, plus l’écoulement sera aisé.

À noter que les forces capillaires peuvent être maintenues à un niveau raisonnable si l’humidité relative dans l’environnement de procédé est < 65 % HR [Lawrence].

2. Voûtes

Le voûtage se produit lorsqu’une poudre suffisamment cohésive est stockée dans une trémie dont les parois coniques ne sont pas suffisamment inclinées et/ou dont la sortie n’est pas assez large. En effet, pour s’écouler, les poudres doivent être soumises à une contrainte suffisamment importante. Cette contrainte dépend de la forme de la sortie du silo et de la facilité avec laquelle la poudre peut s’appuyer sur celle-ci pour se consolider et former des voûtes.

Si l’angle de la sortie est trop faible, la contrainte sera réduite, et il sera facile pour la poudre de résister à la gravité et de former une voûte. De même, si la sortie est trop petite, en dessous d’un diamètre critique de sortie pouvant être déterminé par des essais sur poudre, il sera plus facile pour la poudre de supporter une voûte entre des parois opposées très proches l’une de l’autre.

Les voûtes peuvent être évitées par conception en calculant l’angle des parois de la trémie requis et le diamètre critique de sortie nécessaire afin de garantir toujours une contrainte suffisante pour briser les voûtes et assurer l’écoulement de la poudre.

Si le voûtage ne peut être évité par la conception, des aides à la vidange doivent être installées.

3. Cheminées stables

Les cheminées stables se forment dans les trémies qui n’ont pas été conçues comme des silos à écoulement massif pour le solide en vrac stocké et dont la sortie est trop petite. Le produit ne s’écoulera que par un canal au centre de la trémie, tandis que le reste du produit restera immobile sur les côtés. Comme pour les voûtes, la poudre peut se consolider suffisamment pour que la contrainte exercée sur les côtés de la trémie ne soit pas suffisante pour provoquer son écoulement.

Les cheminées stables peuvent être évitées en concevant la trémie avec un diamètre de sortie supérieur au diamètre critique de cheminée stable. Ce diamètre peut être déterminé en soumettant la poudre à des essais en cellule de cisaillement afin d’en caractériser les propriétés d’écoulement. À noter que le diamètre de cheminée stable est généralement plus grand que le diamètre de voûtage.

Si un diamètre de sortie suffisamment grand ne peut être obtenu, c’est-à-dire si la trémie n’est pas à écoulement massif, des aides à la vidange peuvent être utilisées pour provoquer l’effondrement du produit et son écoulement. À noter que cette méthode peut être dangereuse pour les grands silos, car une chute brutale d’une grande quantité de matériau peut endommager la structure de l’équipement, d’où l’importance d’une conception robuste dès le départ.

4. Aides à la vidange

Les détails sur les aides à la vidange, telles que les activateurs de silo, les plaques de fluidisation ou les marteaux vibrants, sont disponibles sur la page comment résoudre les bourrages et problèmes d’écoulement dans les silos.

Source

[Lawrence] Comment la température et l’humidité influencent le comportement d’écoulement des matériaux hygroscopiques, Johnselvakumar Lawrence, *Powder Bulk Engineering*, avril 2018