Notions sur les écoulements biphasiques
Manutention pneumatique de produits en vrac

Dans les procédés du vrac, on trouve généralement les opérations de : dosage, pesage, séchage, broyage, tamisage, mélange, homogénéisation, stockage, ensachage... Généralement, ces opérations sont reliées entre elles par des systèmes de manutention pneumatique. Ces systèmes consistent à effectuer les opérations de transport à l’aide d’appareils dont le principe est basé sur l’entraînement d’un produit solide en vrac au moyen d’un courant gazeux dans une conduite étanche.

Le développement de cette technologie a suivi la formidable évolution des nouveaux matériaux venus s’ajouter ou se substituer au petit nombre de ceux (bois, métaux, fibres végétales et animales) que l’homme utilisait depuis la nuit des temps. Sans eux, aucune industrie — automobile, textile, électronique, construction, ameublement, emballage... — n’aurait eu le développement qu’elle a connu.

Ces systèmes de manutention pneumatique ont ainsi suivi l’évolution de la chimie minérale, de la chimie organique, de l’agroalimentaire et de la pharmacie.

Dans le domaine de la chimie minérale, tous les produits sous la forme pulvérulente sont aujourd’hui transportés grâce à cette technique : ciment, cendres volantes, minerais, oxyde d’uranium, oxyde de titane, sable, constituants des produits lessiviers...

Dans le domaine de la chimie organique, une véritable révolution est en marche, principalement pour les polyoléfines, avec les nouveaux procédés de polymérisation en mode condensé et « supercondensé » et, surtout, avec la catalyse par les métallocènes. Il sera possible de créer, pour chaque application, des polymères pratiquement « sur mesure » capables de concurrencer sur leurs marchés les matériaux les plus solidement établis.

Dans le domaine de l’agroalimentaire, le fait le plus marquant aura été l’évolution vers la restauration rapide. Celle-ci s’est traduite par la formidable industrialisation de ce secteur. De la fabrication artisanale de bonbons, de gâteaux, de pain, nous sommes passés à des chaînes de production totalement automatisées. Pour alimenter les différentes machines de fabrication de ces produits, il a fallu imaginer toutes les opérations de logistique et de gestion des flux. On retrouve ainsi les postes suivants :

• acheminement des matières premières depuis les sites de production vers les sites de transformation et stockage ;

• distribution, dosage et mélange de ces différentes matières vers la fabrication ;

• conditionnement et acheminement vers les magasins de distribution.

Dans le domaine de la pharmacie, les règles d’hygiène et de sécurité ainsi que l’augmentation des capacités de production ont imposé cette technologie dans bien des cas.

Qui aurait pu imaginer en 1900 que l’on transporterait pneumatiquement du sable, des granulés de plastique, des céréales pour petit déjeuner, des fraises, des paillettes de glace, des cacahuètes enrobées de chocolat ou encore des médicaments en comprimés à des débits de matière pouvant dépasser 50 t/h sur des distances pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres ?

Aujourd’hui, il est d’usage de distinguer trois grandes familles de manutention pneumatique : les transports en phase diluée (vitesse du gaz élevée : 15 à 35 m/s, faible concentration), les transports en phase dense continue (vitesse du gaz moyenne 8 à 15 m/s, concentration moyenne) et les transports en phase dense discontinue (vitesse du gaz faible : 1 à 8 m/s, forte concentration).

Ces systèmes de transport pneumatique doivent être mis en œuvre dans des conditions qui garantissent, à l’industriel, l’obtention des performances souhaitées, le respect de la qualité des produits et la préservation de l’environnement.

En effet, des opérations de transport mal maîtrisées peuvent réduire à néant tous les efforts réalisés pendant la fabrication pour l’obtention du produit souhaité. Les caractéristiques physiques du produit peuvent ainsi être totalement modifiées si, par exemple, le transport est réalisé à des vitesses inadaptées. On peut constater alors une modification du spectre granulométrique, des changements de couleur, des modifications de surface, la production de fines, la modification de la densité et de la coulabilité...

Une des solutions permettant d’éviter ces désagréments est de transporter les produits en phase dense discontinue à basse vitesse. Toutefois, ces systèmes de transport ont parfois un coût d’investissement plus élevé, surtout pour des distances et/ou des débits de matière importants. Pour certaines applications, une installation fonctionnant en phase continue (diluée ou dense), bien dimensionnée (pas de risque de bouchage, pas d’usure de la tuyauterie, dégradation minimale du produit, consommation d’énergie optimale...), peut répondre parfaitement aux exigences du procédé. La combinaison d’un système fonctionnant en phase diluée et d’un système fonctionnant en phase dense à basse vitesse peut également s’avérer une bonne solution.

L’objectif de cet article est de fournir des éléments de classification et de description :

• des produits à manutentionner ;

• des technologies disponibles sur le marché ;

• des solutions permettant de répondre à un besoin exprimé.

Cet article commence donc par l’étude des caractéristiques des produits qu’il est nécessaire de connaître afin d’apprécier la meilleure phase de transport pour répondre aux exigences du procédé. Ensuite nous présentons la théorie des écoulements diphasiques gaz/solide qui nous permet de calculer les débits de gaz à mettre en jeu et d’évaluer les pertes de pression.

Il faut ensuite choisir le mode de fonctionnement : aspiration, refoulement, aspiration/refoulement combiné, circuit fermé... en fonction de la configuration et des exigences de l’installation à réaliser : nombre de points de départ et d’arrivée du produit, contamination...

Il reste alors à choisir la technologie des dispositifs d’introduction du produit dans le circuit, des tuyauteries et de leurs aiguillages et, enfin, les systèmes de séparation gaz/solide.

Cet article se termine par la présentation d’exemples d’application dans les domaines suivants : industrie alimentaire, industrie chimique, sidérurgie, fonderie, production d’énergie, cimenterie.

Des conseils sur l’exploitation, l’entretien et la sécurité sont également donnés.

Ces éléments devraient permettre à l’ingénieur de production ou d’ingénierie d’apprécier la meilleure façon de transporter pneumatiquement un produit et de disposer de la connaissance nécessaire pour conduire une discussion technique constructive avec les équipementiers spécialisés dans ce domaine.