1.Pourquoi les poudres se séparent ?

Qu'est-ce que la séparation ou le démixage des poudres ou des solides en vrac ?

La difficulté de mélanger est principalement due à différences de tailles de particules. Si l'écart dans les tailles de particules au sein d'un mélange est élevé, il faudra plus de temps pour atteindre l'homogénéité optimale CV d'homogénéité, et la valeur du CV sera plus élevée que pour un mélange de particules de tailles similaires.

Inversement, un mélange composé de particules de dimensions différentes aura toujours tendance à se séparer, en regroupant les particules d'une taille dans une zone et les particules d'une autre taille dans une autre zone. Ce phénomène est appelé séparation ou démixage. Il faut noter que tout mélange industriel sera composé de particules de dimensions différentes, ce qui signifie que tout mélange sera soumis à un démixage lors des étapes de traitement suivantes le mélangeur et que la séparation limitera naturellement l'homogénéité qui peut être atteinte dans un mélangeur donné.

La séparation est une fonction de la taille, de la densité, de la forme et de la résilience des particules. Mais comme mentionné ci-dessus, le facteur primaire est la taille de la particule et plus particulièrement l'écart de tailles entre les particules du mélange [2]. Le rapport auquel l'écart de taille cause des problèmes de séparation varie selon les auteurs, on peut en effet trouver dans la littérature [3] [4] que, comme règle générale, la séparation sera un problème pour un rapport de tailles de particules > 1,3, >3 ou >5.

La forme des particules est intéressante : si les particules ont des formes complexes conduisant à un entrelacement entre elles, et donc à une mauvaise écoulement, elles seront difficiles à mélanger. Mais une fois mélangées, l'effet d'entrelacement réduira la séparation par rapport à ce qui se passe avec des matériaux à écoulement libre.

2. Quels sont les mécanismes de séparation

Comment se produit le démixage des poudres ?

Il existe principalement 5 mécanismes conduisant à la séparation [1] [2]

Effet de séparation	Explication
Séparation par percolation	Lorsque le mélange est déplacé, les espaces entre les grandes particules s'ouvrent et les petites particules peuvent alors passer en dessous. La répétition du mouvement permet aux petites particules de se concentrer au fond du mélange tandis que les particules grossières sont en haut. Opérations unitaires typiques créant un tel mécanisme de démixage : remplissage et déchargement d'un silo, chute libre de poudre dans un tas dans un silo ou un conteneur
Séparation par flottaison	Les grandes particules flottent sur le lit de solides. C'est dû à la vibration du mélange qui permet aux petites particules de s'écouler dans les espaces situés sous les grosses particules. Opérations unitaires typiques créant de tels problèmes : cribles vibrants (s'ils ne sont pas correctement utilisés, avec trop de produit sur le plateau du crible, le phénomène sera amplifié), silos avec fonds vibrants, tables vibrantes de Big Bags
Séparation lors du transport	Lors du transport dans un flux gazeux, les particules de tailles différentes sont soumises à des forces différentes et adopteront donc des trajectoires différentes conduisant à la séparation. C'est le gaz dans une ligne de transport pneumatique par exemple où les forces de traînée n'agiront pas de la même manière sur les grosses et les petites particules, conduisant à une vitesse de transport différente. À la réception d'une ligne de transport, dans un silo par exemple, l'inertie des particules dépendra de leur taille et elles adopteront des trajectoires différentes conduisant à une certaine séparation.
Élutriation	Ce phénomène est un peu similaire au précédent mais doit être pris en compte dans le cas de matériaux en chute libre : les fines (inférieures à 50 microns typiquement) resteront en suspension dans l'air plus longtemps que les particules grossières et finiront par tomber sur le dessus de la poudre ou adhérer à la paroi du tuyau ou du trémie.
Séparation par agglomération	Il peut arriver que certains composants forment des agglomérats. Ces agglomérats créeront une hétérogénéité dans le mélange car localement ils concentreront une grande quantité de matière d'un seul type. Cela peut être le cas par exemple lorsque des matériaux s'accumulent sur les parois d'un silo et sont ensuite libérés dans un mélange. Un exemple typique est pour un fabricant alimentaire de vendre des sachets qui contiennent des agglomérats, le client voit alors immédiatement l'hétérogénéité.

Tous les phénomènes ci-dessus peuvent conduire à une non-uniformité des poudres.

3. Séparation dans les mélangeurs

Parmi les différents types de mélangeurs, les diffusifs et les mélangeurs par cisaillement causeront une séparation pour des particules libres de tailles différentes.

Les mélangeurs diffusifs sont particulièrement sensibles à ce phénomène car ils seront également sujets à la séparation avec des poudres cohésives, ils peuvent en fait promouvoir l'agrégation des poudres. Certaines conceptions telles que l'utilisation de jambes asymétriques pour un mélangeur en V (1 jambe plus longue qu'une autre), ou un bicône ayant un cône décalé, peuvent toutefois aider à minimiser les phénomènes de séparation en évitant un écoulement symétrique des particules dans le mélangeur qui favorise la séparation.

Les lits fluidisés pneumatiques seront, de leur côté, sensibles aux différences de densité entre les particules.

4. Bonnes pratiques

Comment éviter la démixage des poudres ?

Comme expliqué ci-dessus, les phénomènes de ségrégation se produiront. La question est donc ici de minimiser les effets plutôt que de les éviter complètement.

Pour minimiser le démixage, si vous avez la possibilité de concevoir un nouveau processus, est de minimiser le nombre d'étapes de processus du mélangeur au point d'utilisation (remplisseur, ou dosage à un traitement ultérieur). Positionnez le mélangeur de manière à réduire le nombre d'opérations unitaires unités de traitement, en évitant en particulier la chute libre (et encore plus les surfaces inclinées sur lesquelles la poudre peut rouler), le transport mécanique, le transport pneumatique... afin de maintenir l'uniformité de la poudre. Il peut également être avantageux, pour les mélangeurs équipés d'un agitateur, de faire tourner le mélangeur à faible vitesse (important pour éviter les risques d'explosion de poussière) pendant la décharge pour éviter qu'une couche de fines ne se dépose sur le lit de mélange, après le mélange, alors que le mélangeur est toujours en marche.

Certaines sources de la littérature [1] suggèrent d'humidifier la poudre afin de fixer les particules entre elles et d'atteindre un certain degré d'agglomérat : cela est loin d'être applicable dans toutes les situations. Si les tailles de particules sont très différentes, il faut vérifier si la réduction de taille est une possibilité (broyage étape de certains composants avant le mélange).

En général, les trémies à écoulement en entonnoir doivent être évitées. Un conseil est que la conception des silos en tant que écoulement de masse permettra de remélanger, dans une certaine mesure, le composant à la sortie du silo (mais le produit est simplement déversé du silo dans un tas, il se démélangera à nouveau)

Enfin, le choix du mélangeur est très important, certains des mélangeurs seront en mesure de surmonter plus facilement la tendance des particules à se séparer et d'atteindre une bonne uniformité de mélange. C'est le cas des mélangeurs à double arbre à palettes.

Sources

[1] Perry's Chemical Engineer's Handbook
[2] Principles of Powder Technology, Martin Rhodes et al, Wiley
[3] Réponses à certaines questions courantes sur le mélange, Kaye, PBE
[4] Réponses à 10 questions courantes sur le mélange par lots, Michel, PBE