Stockage et écoulement des solides granulaires dans les silos - Concepts de base et théorie

Le stockage et l’écoulement gravitaire des poudres et matériaux granulaires dans les silos est un sujet d’étude qui préoccupe les milieux académique et industriel, en particulier depuis les révolutions industrielles et l’accroissement des quantités de poudres à stocker, qu’ils s’agissent des matières premières ou des produits finis (minerais, charbon, sucre, céréales, farine, ciment, etc.). De manière générale, pratiquement tous les matériaux granulaires sont stockés dans un silo à un moment de leur cycle de vie.

D’un point de vue technologique, un silo paraît être un équipement extrêmement simple et basique pour stocker un solide en vrac. Différents critères doivent cependant être pris en compte pour en assurer le bon fonctionnement. Le silo idéal devrait permettre de contenir un maximum de produit pour une surface au sol minimale, mais aussi d’assurer un écoulement régulier (sans formation de cheminée ou de voûte) au débit massique souhaité. Néanmoins, de nombreux problèmes (décrits dans l’article [J 2 255]) peuvent être observés durant le stockage et le soutirage des produits : formation de cheminées, de zones mortes et de voûtes (arches), écoulement irrégulier, submergence, ségrégation, temps de stockage hétérogène, mottage, auto-échauffement, explosion, etc. Bien que la majorité de ces difficultés soit associée aux poudres fines et cohésives, les solides granulaires à écoulement libre (généralement associés aux matériaux de granulométrie élevée abordés plus spécifiquement dans le présent article) sont également sujets à divers problèmes. En effet, même pour des poudres à écoulement libre et des angles de trémie faibles, un écoulement en masse n’est pas toujours garanti et la formation d’une cheminée est possible. Il en résulte alors une hétérogénéité des temps de stockage.

Cet article [J 2 258] et l’article suivant [J 2 259] se focalisent sur l’écoulement des « solides granulaires » lors de la vidange des silos. Le terme « solides granulaires » désigne ici des matériaux de granulométrie élevée, pour lesquels les forces gravitationnelles (poids) sont prédominantes devant les forces interparticulaires : forces de van der Waals, forces électrostatiques, etc. (descriptions détaillées dans l’article [J 4 101]). Le comportement de ces matériaux est généralement qualifié d’écoulement libre (« free-flowing »). De manière générale, les graines de céréales, granulés (polymères, catalyseurs, détergents, fertilisants, etc.), comprimés pharmaceutiques, graviers, etc., entrent dans cette catégorie. De manière complémentaire, un deuxième article [J 2 259] est consacré aux aspects liés à l’ingénierie (débit massique de vidange, distribution de temps de séjour et ségrégation) et à l’accidentologie des silos.