Choisir un mélangeur à faible cisaillement

Les caractéristiques d'un matériau dictent quel type de mélangeur sera le plus efficace pour le mélange par lots. Cet article reprend quelques bases du mélange par lots et examine les avantages et les limites de plusieurs mélangeurs à faible cisaillement.

Lors de la sélection d'un mélangeur par lots de solides en vrac, vous devez tenir compte de l'ensemble du procédé. Votre recette, les exigences de qualité, la taille du lot, le temps de réaction, les caractéristiques du matériau et la façon dont le matériel est alimenté et déchargé du mélangeur détermineront quel type de mélangeur vous donnera le temps de mélange et la consistance dont vous avez besoin

Pour déterminer quel mélangeur est approprié pour votre application, il est important d'examiner si le matériau est fluide ou cohésif. Comme le montre la figure 1, les mélangeurs par lots peuvent généralement être classés par la force de cisaillement qu'ils appliquent au matériau pendant le mélange. Normalement, plus votre matériau est cohésif, plus un cisaillement est nécessaire pour le mélanger. Les mélangeurs à faible et moyen cisaillement conviennent à des matériaux plus fluides, tandis que les mélangeurs à moyen ou fort cisaillement, à impact et concepteurs de particules conviennent à des matériaux plus cohésifs.

Choix d’un mélangeur par lots

Fig. 1 : Choix d'un mélangeur par lots

Le mélange à faible cisaillement est un procédé relativement ordonné, c'est-à-dire que le mélangeur fonctionne à basse vitesse et que les particules du matériau se déplacent de manière ordonnée dans tout le mélangeur. Pour le mélange à moyen cisaillement, le mélangeur tourne à une vitesse légèrement supérieure et les particules se déplacent plus aléatoirement dans le mélangeur. Le mélange à fort cisaillement utilise beaucoup plus d'énergie, ce qui entraîne un cisaillement des particules les unes contre les autres ou contre la paroi du mélangeur. Le mélange à impact disperse les particules dans l'air et les impacte pour casser les particules et les amener à se mélanger librement. Le mélange de conception de particules est une forme de mélange à fort cisaillement qui utilise beaucoup plus d'énergie pour mélanger des matériaux très cohésifs.

Le mélange à faible cisaillement est le choix idéal pour les matériaux à écoulement libre, fragiles et thermosensibles. Cet article se consacre sur la sélection d'un mélangeur par lots à faible cisaillement pour les matériaux à écoulement libre. Avant de discuter des types de mélangeurs à faible cisaillement, il est toutefois important de comprendre certaines caractéristiques des matériaux à écoulement libre.

Caractéristiques des matériaux à écoulement libre

Les matériaux à écoulement libre ont un faible frottement entre particules et ont généralement une taille de particules supérieure à 75 microns. Les matériaux à écoulement libre ont également tendance à avoir une faible teneur en humidité, car l'humidité peut provoquer l'adhérence des particules. Ces matériaux ont généralement des particules avec un faible rapport d'aspect (différence entre la longueur et la largeur de la particule). Les particules avec un rapport d'aspect élevé ont tendance à se verrouiller et à résister à l'écoulement l'une contre l'autre, tandis que les particules plus arrondies s'écoulent plus facilement l'une contre l'autre et sont plus faciles à mélanger.

En général, les particules avec un faible rapport d'aspect auront également un faible angle de repos. L'angle de repos d'un matériau est l'angle qui se forme lorsque le matériau est versé sur une surface plane. Plus le cône formé est étroit, plus l'angle de repos est grand et plus le matériau est cohésif. Les matériaux cohésifs sont généralement plus difficiles à mélanger que les matériaux à écoulement libre car plus d'énergie est nécessaire pour surmonter les forces qui maintiennent les particules ensemble.

Le mélange de matériaux à écoulement libre présente différents problèmes, y compris la ségrégation. La ségrégation se produit lorsque les particules d'un matériau se séparent naturellement par taille ou par une autre caractéristique. Cela peut se produire de différentes façons, comme le montre la figure 2.

Types de ségrégation

Fig. 2 : Types de ségrégation

Ségrégation par vibration. Si votre lot contient plusieurs ingrédients dans un récipient soumis à des vibrations, les ingrédients avec les particules plus grosses ou plus légères vont migrer vers le haut.

Ségrégation par percolation. Les particules les plus fines vont se déplacer naturellement dans les espaces entre les particules plus grandes vers le bas du lot, entrainant une concentration plus élevée de grosses particules sur le dessus.

Ségrégation par transport. Les particules plus grossières ont une plus grande mobilité dans le matériau qui s'écoule, donc lorsqu'un matériau sort d'un conduit et forme un tas, les particules les plus grandes migrent vers l'extérieur du tas. Cela concentre les fines au milieu du lot. Si le matériau est transporté pneumatiquement, les particules les plus grosses se déplacent plus loin que les particules plus fines, donc si vous utilisez un système de transport pneumatique pour remplir une cuve, vos fines peuvent aller sur un côté et vos particules plus grosses de l'autre côté.

Modes de mélange à moyen cisaillement

Un mélange totalement homogène doit mélanger les ingrédients de manière aléatoire. Le mélangeur déplace les ingrédients l'un par rapport à l'autre jusqu'à ce que les particules de chaque ingrédient soient uniformément réparties dans tout le mélange. Les deux façons (ou modes) de faire cela dans un mélangeur sont la diffusion et la convection.

Dans un mélangeur par diffusion, les particules de chaque ingrédient diffusent et se mélangent au hasard, assistées par la gravité. Un mélangeur par convection fonctionne de manière plus délibérée, générant des diagrammes d'écoulement spécifiques ou des courants qui déplacent les particules d'une zone du mélangeur à une autre.

En général, les mélangeurs par diffusion ont tendance à être moins coûteux et plus faciles à entretenir que les mélangeurs par convection, de sorte que le mélange par diffusion est la meilleure option si cela fonctionne pour votre produit. Cependant, les mélanges qui sont sujets à la ségrégation, qui ont de grandes différences dans la taille des particules ou dans la densité des ingrédients ne peuvent pas être mélangés à l'aide d'un mélangeur par diffusion car l'homogénéité va être limitée et une ségrégation peut se produire si le lot est surmélangé.

Mélangeurs à faible cisaillement

Pour le mélange à faible cisaillement de matériaux à écoulement libre, les trois types de mélangeurs les plus courants sont le mélangeur conique à vis, le mélangeur à cuve tournante et le mélangeur à ruban. Chacun a ses avantages et ses inconvénients.

Mélangeur conique à vis

Un mélangeur conique à vis est un mélangeur par convection ayant une vis en rotation se déplaçant en orbite à l'intérieur d'une chambre de mélange fixe en forme de cône. Le produit est rempli dans le mélangeur sous le bras orbital, lui permettant un mouvement libre autour de la chambre de mélange. La vis va ainsi se déplacer à l'intérieur du produit et assurer un lot bien mélangé.

Avantages du mélangeur conique à vis
Les mélangeurs coniques à vis peuvent fournir une qualité de mélange très élevée, et grâce à la forme conique de la cuve, le déchargement du produit est facilité : vous ouvrez le fond de la cuve et la gravité entraine le produit. La vis est en porte-à-faux, sans paliers en partie basse et sans joint en contact avec le produit. La vis peut facilement soulever et déplacer de grandes quantités de matériaux, de sorte que les mélangeurs sont disponibles dans de très grandes tailles, jusqu'à 100.000 litres. Une mise en garde importante à propos de l'utilisation d'un grand mélangeur est qu'une vis très grande doit être supportée en bas et nécessitera des joints et des roulements qui seront en contact avec le produit durant le mélange, ce qui efface certains avantages du mélangeur.

Désavantages du mélangeur conique à vis
Un inconvénient du mélangeur conique à vis est que les matériaux cohésifs peuvent adhérer à la vis, ce qui peut entraîner une migration du matériau d'un lot à l'autre ou un temps de nettoyage de l'équipement augmenté entre les lots. Le mélangeur conique à vis coûte souvent plus cher que les autres types de mélangeur en raison du plus grand nombre de composants mécaniques. Le mélangeur à vis conique a également tendance à être plus grand que les autres types de mélangeurs, ce qui peut présenter des difficultés dans les bâtiments avec des restrictions de hauteur.

Mélangeur conique à vis Nauta

Fig. 3 : La forme du mélangeur conique à vis permet une vidange complète du lot

Mélangeur à cuve tournante

Un mélangeur à cuve tournante est un mélangeur par diffusion qui est essentiellement une cuve creuse qui tourne sur son axe horizontal. La cuve est partiellement remplie de produit et tourne ensuite lentement de sorte que la friction entre le matériau et la paroi de la cuve amène le matériau le long de la paroi jusqu'à ce que la gravité le fasse retomber en cascade sur le lit de produit. Le mélange est réalisé par une diffusion des ingrédients à travers la surface supérieure du lit du produit.

Un mélangeur à cuve tournante nécessite une vitesse de rotation correcte pour assurer un mélange efficace et effectif. Une rotation plus lente procure un mélange plus doux mais peut être inefficace, tandis qu'une rotation plus rapide mélange plus vite mais peut endommager les particules fragiles. Si le mélangeur tourne trop vite, le matériau ne retombera pas, ce qui entraînera un lot non mélangé

Avantages du mélangeur à cuve tournante
Les mélangeurs à cuve tournante sont simples et rentables. Le mélangeur est totalement étanche et confiné, sans joints ni pièces internes mobiles. Cela signifie que tous les roulements et lubrifiants sont hors de contact avec le produit, ce qui assure une longue durée de vie. Un mélangeur à cuve tournante a une faible usure car le matériau se déplace simplement contre la paroi du mélangeur et retombe sur lui-même. La forme du mélangeur peut varier pour aider au mélange aléatoire et pour des applications spécialisées, des déflecteurs internes ou des agitateurs peuvent être ajoutés pour aider à disperser le matériau et changer l'angle de chute du matériau.

Désavantages du mélangeur à cuve tournante
Les inconvénients des mélangeurs à cuve tournante sont peu nombreux, mais l'un d'eux est que ces mélangeurs ne conviennent que pour des matériaux non ségrégatifs. Pour certains matériaux ségrégatifs, la qualité du mélange va être limitée après un certain temps de mélange, et un mélange excessif peut provoquer un démélange du produit.

Un autre inconvénient du mélangeur à cuve tournante est qu'il doit être déconnecté des équipements en amont et en aval pendant le fonctionnement. Chaque fois que le matériau est ajouté ou déchargé du mélangeur, l'entrée et la sortie doivent être reconnectées et ensuite débranchées pour permettre au mélangeur de tourner. Lorsque l'une des extrémités est déconnectée, les deux ouvertures peuvent être des sources potentielles de fuite, ce qui peut être une préoccupation pour la sécurité si le matériau est toxique ou dangereux. En outre, le mouvement du mélangeur peut potentiellement être dangereux pour les travailleurs pendant l'opération.

Mélangeur à ruban

Un mélangeur à ruban est un mélangeur convectif qui a un ruban rotatif interne (ou une vis sans fin) qui crée des flux de mélange de courant convectifs dans une cuve creuse stationnaire. La cuve est partiellement remplie de matière, généralement à un point juste au-dessus de la ligne centrale, puis la vis en rotation va déplacer les ingrédients à la fois dans un mouvement circulaire autour de l'axe de la vis et dans un mouvement latéral le long de la cuve.

Les mélangeurs de ruban sont de styles différents et sont facilement personnalisables pour des applications spécifiques. Les options comprennent de simples ou doubles arbres et des variations de vis de mélange (comme des pales au lieu d'un ruban) dépendant de l'intensité nécessaire au mélanger du matériau ou du temps de mélange désiré. Les mélangeurs à ruban peuvent également être réglés avec des angles différents pour générer différents types et quantités de mouvement à l'intérieur de la cuve.

Avantages du mélangeur à ruban
Les mélangeurs à ruban sont particulièrement adaptés pour les matériaux ségrégatifs ou d'autres matériaux avec une granulométrie et une densité apparente variables. Le mélangeur est disponible dans différentes tailles et formes et la vis peut être remplacée en fonction de l'application. Cela permet à un mélangeur de ruban d'être utilisé pour de multiples applications en échangeant simplement la vis si besoin.

Désavantages du mélangeur à ruban
Dans un mélangeur à ruban, les joints sont immergés dans le matériau pendant le mélange, de sorte qu'avec des matériaux fins ou abrasifs, les particules se trouveront dans les joints autour de l'arbre de la vis du mélangeur. Différentes options d'étanchéité et des solutions mécaniques sont disponibles pour éviter cela. Le mélangeur à ruban peut également être difficile à vider. Le matériau est normalement déchargé à travers un orifice central au fond de la cuve, donc tout le matériau doit être déplacé des coins jusqu'au centre de la cuve pour une décharge complète. Bien souvent, il reste une quantité de produit non déchargée. Vous pouvez installer des trappes plus larges pour vider tout le lot d'un coup, mais vous allez ensuite devoir transporter le lot complet, ce qui peut provoquer une ségrégation.

Pour plus d'information

Il est parfois essentiel que les polymères produits soient de qualité constante et soient totalement exempts de contamination. Dans de tels cas, c'est un avantage significatif si les étapes de procédés consécutifs peuvent être effectuées dans un seul appareil, c'est-à-dire sans transfert vers une machine différente. Hosokawa Micron a réalisé un tel procédé pour un client dans un sécheur sous vide avec un rotor spécial. Lors de la synthèse du polymère en question, un alcool se forme qui est rincé à l'aide d'un produit chimique liquide. De plus, le mélangeur contient d'autres liquides en plus du polymère synthétisé. Ces liquides (80% du mélange) sont chauffés sous vide pour être évaporés. À la fin de ce procédé, la température du produit augmente progressivement, ce qui non seulement supprime le liquide restant, mais aussi traite le produit.


Auteur: Chris Paulsworth, Ingénieur d’Applications à la division Chimie/Minéraux de Hosokawa Micron Powder Systems

 

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