Mélange et homogénéisation des solides divisés

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.