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1 - MÉLANGE ET HOMOGÉNÉITÉ

2 - ASPECTS TECHNOLOGIQUES DU MÉLANGE DES SOLIDES DIVISÉS

3 - ASPECTS DYNAMIQUES DU MÉLANGE DES SOLIDES DIVISÉS

Article de référence | Réf : J3397 v1

Aspects dynamiques du mélange des solides divisés
Mélange et homogénéisation des solides divisés

Auteur(s) : Henri BERTHIAUX

Date de publication : 10 déc. 2002

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Auteur(s)

  • Henri BERTHIAUX : Ingénieur de l’École nationale supérieure des industries chimiques (ENSIC) - Docteur de l’Institut national polytechnique de Lorraine (INPL) Habilité à diriger des recherches - Maître assistant à l’École des Mines d’Albi-Carmaux

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INTRODUCTION

Le mélange des solides divisés (poudres, milieux granulaires) est une opération clé dans de nombreux domaines industriels (pharmacie, agroalimentaire, ciments, matières plastiques...). Réglant l’homogénéité de composition à l’échelle requise, qui est souvent celle du conditionnement, elle est en effet la première responsable de l’atteinte des spécifications et propriétés d’usage des produits formulés. Mais l’homogénéité d’un mélange de solides, indissociable des échelles d’observation et de ségrégation, reste difficile à mesurer. Dans la plupart des cas, on doit en effet avoir recours à une estimation au moyen de prélèvements d’échantillons, ce qui pose des problèmes d’ordre technique et statistique. Le développement de méthodes de mesures en ligne, non intrusives, devrait toutefois permettre une meilleure définition, et un meilleur contrôle, de l’homogénéité.

Une certaine qualité de mélange peut être atteinte en jouant sur des aspects dynamiques, eux-mêmes liés aux mécanismes qui président à la mise en mouvement des particules : convection, cisaillement et diffusion. Ces mécanismes sont le fait, non seulement des propriétés d’écoulement des produits, mais aussi des possibilités technologiques des appareils de mélange. De ce point de vue, les mélangeurs utilisés dans l’industrie sont de trois principaux types, selon que l’agitation est produite par un mobile interne (mélangeurs convectifs), par la rotation de la cuve (mélangeurs à tambour), ou bien encore par l’écoulement propre du matériau (mélangeurs statiques). On peut employer aussi bien des procédés de mélange en continu qu’en discontinu, le choix s’effectuant selon les contraintes de production classiques et l’usage des différents secteurs d’activité. Les règles de dimensionnement de ces appareils sont toutefois essentiellement basées sur l’empirisme et restent, dans une large mesure, l’apanage des constructeurs d’équipements.

Comme c’est le cas pour d’autres opérations unitaires mettant en jeu des solides divisés, les connaissances scientifiques de base sont encore insuffisantes pour expliciter clairement la phénoménologie du mélange, cela étant probablement le fait de la nature mésoscopique de ces milieux. Dans le cadre d’une approche systémique de cette opération, il est cependant possible de prendre en compte certains aspects dynamiques classiques (cinétique de mélange, distribution des temps de séjour...) en « génie des procédés » et de modéliser globalement l’opération. Enfin, il est nécessaire de considérer que la notion de qualité de mélange doit être intégrée au niveau de l’ensemble d’un procédé, la présence d’étapes induisant la ségrégation (transports, stockages...) pouvant faire évoluer l’homogénéité d’un mélange après sa sortie d’un mélangeur.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j3397


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3. Aspects dynamiques du mélange des solides divisés

3.1 Homogénéité et dynamique de mélange

Comme on l’a vu dans la précédente partie, un des critères de choix des mélangeurs réside à la fois dans l’état de mélange que l’on veut atteindre, et dans la manière avec laquelle on peut l’atteindre. Ce dernier aspect relève strictement de la dynamique des mélangeurs et doit être examiné différemment selon que ceux-ci fonctionnent en discontinu ou en continu.

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3.1.1 Systèmes fermés

Pour les mélangeurs discontinus, la dynamique de mélange peut se résumer à l’évolution cinétique de l’homogénéité en suivant la variation d’un critère de mélange global (variance, écart-type...) avec le temps de fonctionnement du mélangeur. Ces études, souvent effectuées à l’échelle du laboratoire, doivent permettre d’identifier le temps de mélange tm à utiliser industriellement, en fonction des objectifs donnés : il est ainsi habituel de fixer un seuil de tolérance du coefficient de variation proche de 7 %. La courbe cinétique la plus classique (figure 23) possède une allure d’exponentielle décroissante dans sa première portion, accompagnée d’un ralentissement un peu plus marqué dans une zone suivante, puis d’une asymptote dont la courbe se rapproche en présentant parfois des oscillations.

Ces variations généralement constatées peuvent être mises en parallèle avec les mécanismes de mélange précédemment définis. En effet, les mouvements convectifs, qui autorisent des réarrangements pratiquement à l’échelle du mélangeur, ont pour effet immédiat des réductions de variance particulièrement importantes, entraînant l’allure observée pour la première partie de la courbe. Puis, lorsque ces mouvements macroscopiques deviennent moins efficaces, le mécanisme de cisaillement, dont les effets sont moins rapides, devient prépondérant et explique la deuxième partie de la courbe. Enfin, la partie asymptotique correspond au mécanisme diffusionnel, bien plus lent que les précédents, et qui se trouve en compétition avec celui de ségrégation...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LACEY (P.M.C.) -   Developments in the theory of particle mixing.  -  J. Appl. Chem., 4, p. 257-268, mai 1954.

  • (2) - ASHTON (M.D.), VALENTIN (F.M.H.) -   Mixing of powders and particles in industrial mixers.  -  Trans. Inst. Chem. Eng., 44, 5, p. T166-T188 (1966).

  • (3) - POOLE (K.R.), TAYLOR (R.F.), WALL (G.P.) -   Mixing powders to fine-scale homogeneity : studies of batch mixing.  -  Trans. Inst. Chem. Eng., 42, p. T305-T315 (1964).

  • (4) - ROSE (H.E.) -   A suggested equation relating to the mixing of powders and its application to the study of the performance of certain types of machines.  -  Trans. Inst. Chem. Eng., 37, p. 47 (1959).

  • (5) - POUX (M.), FAYOLLE (P.), BERTRAND (J.), BRIDOUX (D.), BOUSQUET (J.) -   Powder mixing : some practical rules applied to agitated systems.  -  Powder Technol., 68, p. 213-234 (1991).

  • (6) - STANGE (K.) -   Die...

1 Constructeurs et fournisseurs

(liste non exhaustive)

Acrison International Ltd.

Tripette & Renaud.

Bioengineering AG.

Coperion Waeschle GmbH.

Dierks & Söhne GmbH & Co. KG.

Ystral Sarl Machines et Procédés.

Erweka Apparatebau GmbH.

Euraf Sarl.

Estève SA.

Gericke AG.

Gericke SA.

Glatt GmbH.

Glatt Pharmatech Sarl.

Guedu SA.

Groupe de Compétences Matériaux et Conception HEVs

Pierre Guérin SA.

Forberg AS (Ingeniørfirmaet Halvor).

Stolz Technologie Forberg.

Hosokawa Micron BV.

Hosokawa Micron SA.

Lindor Maschinefabruken BV.

Primatech.

Lödige Gebrüder Maschinenbau GmbH.

Lödige (Mélangeurs).

Pari SA.

Rayneri VMI (Vendée Mécanique Industrie).

Sulzer Chemtech AG.

Sulzer Chemtech France.

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