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RÉSUMÉ
Le concept de distribution de temps de séjour (DTS) est crucial dans de nombreuses applications en extrusion, en particulier lorsqu'il s'agit de systèmes réactifs, de problèmes de dégradation ou de problèmes de mise à l'échelle. Dans cet article, après avoir introduit les notions de base concernant les DTS, les différentes méthodes de mesure seront détaillées, suivies par la présentation de résultats expérimentaux sur l'influence des principaux paramètres du procédé d'extrusion (vitesse de rotation, débit, température, profil de vis, etc.). Enfin, les différentes approches théoriques pour décrire et/ou prédire la DTS seront passées en revue.
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Bruno VERGNES : Docteur ès sciences - MINES Paris – PSL, CEMEF, Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
Le concept de distribution des temps de séjour (DTS) a été introduit en génie chimique au début des années 1950, puis développé par la suite et appliqué au domaine de la plasturgie dès les années 1960. Lorsqu'un fluide s'écoule dans un réacteur, les trajectoires des particules et leurs vitesses le long de ces trajectoires sont généralement différentes. Par conséquent, le temps passé dans le réacteur n'est pas identique pour toutes les particules mais caractérisé par une distribution, qui décrit l'histoire temporelle du fluide. Dans de nombreuses applications en extrusion, la qualité du produit final va dépendre de l’histoire thermomécanique que le matériau a subie au cours du procédé. Ceci est particulièrement important lorsque l’on a affaire à des systèmes réactifs, à des produits sensibles à la dégradation thermique, ou que l’on désire extrapoler correctement un procédé d’une échelle laboratoire à une échelle industrielle.
Il est donc crucial d’avoir accès à cette histoire thermomécanique, caractérisée en partie par la distribution de temps de séjour. Cela nécessite la mise au point de techniques de mesure appropriées, capables de fournir des données précises de manière rapide et sans perturber le procédé. Cela passe ensuite par le développement de modèles théoriques, dans le but de simplement décrire ou mieux de prédire la DTS en fonction des conditions opératoires. C’est là l’objet de cet article, dans lequel ces divers aspects de la DTS seront abordés, et ceci, lorsque cela sera possible, dans les différents procédés d’extrusion, à savoir l’extrusion monovis, les extrusions bivis co- et contrarotatives, et le co-malaxeur.
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Modèles théoriques3. Résultats expérimentaux
Les techniques de mesures exposées à la section précédente peuvent s’appliquer indifféremment à n’importe quel procédé d’extrusion. En revanche, les résultats expérimentaux qui vont être présentés maintenant dépendent directement du type d’extrudeuse utilisée. Une différence majeure concerne leur mode de fonctionnement : alors que les extrudeuses monovis sont en général totalement remplies, avec un débit imposé par la vitesse de rotation, ce n’est pas le cas des extrudeuses bivis ou des co-malaxeurs, pour lesquels le débit est fixé par un doseur et est donc largement indépendant de la vitesse de rotation, conduisant à un remplissage partiel de la machine.
Un grand nombre de résultats expérimentaux ont été publiés dans la bibliographie. Toutefois, certains de ces résultats doivent être considérés avec prudence car leur qualité dépend fortement de la technique de mesure utilisée, de la géométrie de l'extrudeuse et des conditions opératoires. Les études les plus nombreuses sont celles consacrées aux extrudeuses bivis corotatives, suivies par les extrudeuses monovis, les extrudeuses bivis contrarotatives et les co-malaxeurs.
3.1 Influence de la vitesse de rotation et du débit
Une extrudeuse monovis comporte trois zones distinctes successives (voir [AM 3 650]) : convoyage solide, fusion et écoulement à l’état fondu. Le temps de séjour total est donc la somme des temps de séjour dans ces différentes zones. Il semble toutefois que la DTS dépende surtout de l’écoulement à l’état fondu et que la zone solide puisse être considérée comme un écoulement piston (toutes les particules ont le même temps de séjour, cf. §...
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Résultats expérimentaux
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DANCKWERTS (P.V.) - Continuous flow systems. Distribution of residence times. - Chem. Eng. Sci., 2, p. 1 (1953).
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(2) - LEVENSPIEL (O.) - Chemical Reaction Engineering : An Introduction to the Design of Chemical Reactors. - Wiley, New York (1962).
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(3) - PINTO (G.), TADMOR (Z.) - Mixing and residence time distribution in melt screw extruders. - Polym. Eng. Sci., 10, p. 279 (1970).
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(4) - CASSAGNAU (P.), TAHA (M.) - The concept of conversion distribution in reactive processing. - J. Appl. Polym. Sci., 60, p. 1765 (1996).
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(5) - GAO (J.), WALSH (G.), BIGIO (D.), BRIBER (R.M.), WETZEL (M.D.) - Residence time distribution model for twin-screw extruders. - A.I.Ch.E. J., 45, p. 2541 (1999).
-
(6) - WEISS (R.A.), STAMATO (H.) - Development of an ionomer tracer...
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ANNEXES
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