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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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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2. Aspects technologiques du mélange des solides divisés
2.1 Faisabilité technique d’un mélange
Mélanger des solides divisés de propriétés physiques et physico-chimiques différentes est, avant tout, un problème technologique qui ne saurait se résumer à la mise en contact des « phases » et à l’agitation de l’ensemble. La complexité de cette opération provient, sans aucun doute, de l’extrême diversité des milieux granulaires et pulvérulents, et plus précisément des difficultés que l’on peut rencontrer pour caractériser leur aptitude au mélange.
Étant donné un système de produits à mélanger, tout « l’art de l’ingénieur » reviendra donc à choisir la technologie la mieux adaptée au problème. Pour ce faire, il faudra se baser à la fois sur les mécanismes de mélange induits par les différentes technologies de mélange, et sur ceux favorisés par la nature même des produits. Négliger cette étape serait en effet le plus sûr moyen de voir apparaître un phénomène indissociable du mélange : la ségrégation.
HAUT DE PAGE2.1.1 Mélange et propriétés d’écoulement
Qui dit « mélange » des solides divisés, dit bien sûr « mobilité » des particules ou des paquets de particules. Avant même de rechercher une technologie de mélange, il faut pouvoir quantifier les propriétés d’écoulement d’un système granulaire ou pulvérulent donné.
On considère généralement que, au-dessus d’une taille de 100 µm, ces systèmes sont à écoulement libre, c’est-à-dire que les forces interparticulaires sont négligeables devant la gravité. En revanche, lorsque ce n’est plus le cas, typiquement en dessous de 50 µm, ils prennent la dénomination de cohésifs. Plus une poudre est cohésive, plus elle démontre de résistance à la séparation des entités qui la composent, et donc plus elle est difficile à mélanger. Par contre, une fois que ce problème a été résolu, le mélange obtenu est relativement robuste vis-à-vis du démélange. À...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LACEY (P.M.C.) - Developments in the theory of particle mixing. - J. Appl. Chem., 4, p. 257-268, mai 1954.
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(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).
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(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).
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(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).
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(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...
ANNEXES
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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