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Mélangeurs en cuve / mélangeurs tambours

Mélangeur à tambour

Mélangeur IBC en cuve

Tambour mélangeur

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Résumé de la section
1. Introduction
2. Principe de mélange
3. Paramètres opératoires de mélange
4. Spécifications détaillées
5. Problèmes courants avec les mélangeurs en cuve

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1. Définition d'un mélangeur en cuve

Qu'est-ce qu'un mélangeur en cuve / IBC ?

Les mélangeurs en cuve sont des mélangeurs pour lesquels la force motrice du mélange est obtenue par la rotation de toute la cuve, avec un mélange par chute libre à l'intérieur de l'enveloppe rotative et sans agitateurs (avec quelques exceptions). Les mélangeurs à chute libre sont très répandus dans les industries de transformation pour le mélange à sec de solides en vrac. Mélange (Cela regroupe les mélangeurs en V, les bi-cônes, les rotocubes, les mélangeurs à tambour ou les mélangeurs en cuve).

Bien que d'autres Mélangeurs conceptions existent, surpassant les mélangeurs tambours sur certains aspects, ils restent une solution très simple pour les petites opérations ou pour réaliser un pré-mélange par exemple.

Pour les mélangeurs en cuve, la possibilité de déplacer la cuve dans laquelle le mélange est effectué ouvre également des possibilités intéressantes pour réduire la manutention, le transport et les émissions de poussière. Ces conceptions de mélangeurs sont très souvent utilisées dans les industries pharmaceutiques ou agroalimentaires.

Cette page web se concentre sur la conception détaillée des mélangeurs tambours et plus particulièrement des mélangeurs en cuve (IBC), un type de mélangeurs qui a connu un développement important ces dernières années.

2. Principe de mélange des mélangeurs en cuve

Quel est le principe de mélange des mélangeurs en cuve et des mélangeurs à tambour ?

La plupart des mélangeurs à chute libre sont des mélangeurs purement diffusifs, fonctionnant à Fr < 1. Le mouvement des particules n'est pas forcé par un agitateurs comme c'est le cas pour les Mélangeurs à ruban ou les Mélangeurs à pales. Le mouvement des particules est créé ici par la rotation de l'ensemble du mélangeur, ce qui a pour effet de faire rouler les particules vers le bas (à la surface du lit fluidisé de solides dans le mélangeur, le mouvement des particules étant similaire à une "avalanche").

Étant donné que le principe de fonctionnement des mélangeurs en cuve et autres mélangeurs rotatifs repose sur le mouvement libre des particules, ces mélangeurs auront des performances limitées avec les poudres cohésives. En effet, il y a très peu de force dissipée dans le mélangeur pour séparer les particules de même type ; ainsi, si le mélangeur est rempli de couches de différentes poudres cohésives, elles peuvent rester ensemble et ne pas se mélanger.

D'autre part, les solides particulièrement fluides peuvent également poser problème dans les mélangeurs diffusifs, entraînant une Ségrégation (démélange). Un exemple très courant consiste à remplir un mélangeur rotatif avec des billes de densités différentes ; après un mélange apparent, elles finissent par se séparer totalement.

Malgré ces limitations, on ne doit pas écarter d'emblée ce type de mélangeurs. Ils constituent en effet une solution très simple, économique, fiable et offrent généralement une bonne accessibilité pour le nettoyage entre 2 lots si nécessaire. L' Homogénéité obtenue est très variable mais peut être plus que satisfaisante pour certaines applications, en particulier lorsqu'un pré-mélange est produit pour être utilisé dans un mélangeur principal. De plus, il faut noter que le produit n'est pas en contact avec les paliers ou les joints de palier, éliminant ainsi une source de contamination (produit stagnant libéré de temps en temps, lubrifiant ou usure des pièces mécaniques).

Figure 1 : Mélangeur à chute libre

3. Performances des mélangeurs en cuve : paramètres opératoires de mélange

Pour les mélangeurs diffusifs, le temps de mélange est généralement de 5 à 15 min. Cela est assez long par rapport à d'autres mélangeurs, principalement en raison du fait qu'aucun agitateurs n'est impliqué pour accélérer le mouvement des particules.

La performance du mélangeur, c'est-à-dire le temps nécessaire pour atteindre une homogénéité souhaitée, est fonction des paramètres opératoires suivants :

• Taille du lot de mélange : la capacité de travail des mélangeurs en cuve est de 50 à 60 % du volume total du mélangeur. Le taux de remplissage est absolument critique pour les mélangeurs à chute libre. Les solides en vrac ont en effet besoin d'espace pour se déplacer pendant la rotation afin de favoriser le mélange. Si le mélangeur est trop plein, une mauvaise homogénéité (CV élevé) et/ou des temps de mélange longs sont à prévoir.
• Vitesse de mélange : les vitesses de mélange typiques sont de l'ordre de 15 à 25 tr/min avec un nombre de Froude < 1 ; il est courant de tester le mélangeur à différentes vitesses et temps de mélange lors de la validation.
• Vitesse et temps de mélange : pour ce type de mélangeur, ce qui compte généralement, c'est le nombre de rotations, une fois une certaine vitesse atteinte. Si vous atteignez la bonne homogénéité en 10 min à 15 tr/min (150 rotations), vous pouvez essayer de valider le mélange en 7,5 min à 20 tr/min (150 rotations). Il peut y avoir des variations pour de grandes différences de vitesse, car la vitesse de rotation peut également influencer la diffusion à l'intérieur du mélangeur.
• Présence de déflecteurs : certains mélangeurs sont équipés de déflecteurs (plaques fixes dans le mélangeur) afin de favoriser le mélange. Ces déflecteurs peuvent améliorer le mélange dans certains cas, mais l'effet peut être neutre ou même néfaste.

L'apport énergétique nécessaire pour les mélangeurs rotatifs est assez faible, de l'ordre de 1 kW/m³.

Agitateur supplémentaire

Certains fabricants de mélangeurs en cuve proposent une option pour ajouter une turbine à l'intérieur du mélangeur. Le mélangeur continue de tourner, mais l'agitateur fournit en outre un effet de mélange convectif. Un tel système peut améliorer les performances du mélangeur, en particulier avec les poudres cohésives. Cependant, cela ajoute de la complexité au système et rend le nettoyage plus difficile, deux points à considérer avant d'ajouter un agitateurs.

4. Machine de mélangeur en cuve : spécifications détaillées

Type de conteneur

De nombreuses conceptions de mélangeurs rotatifs existent. Les bi-cônes, les mélangeurs en V ont une enveloppe fixe et doivent être remplis et vidés sur place. Cependant, ces dernières années ont vu une tendance croissante chez les industriels et les fournisseurs d'équipements à passer aux tambours et aux cuves — ou IBC — mélangeurs. Ces systèmes offrent la flexibilité de pouvoir emmener la cuve ailleurs que là où se trouve le mélangeur. Ainsi, l'IBC peut être amené à un système de dosage pour être rempli, et peut être déplacé du mélangeur vers un point de déchargement pour être vidé.

Les cuves peuvent être très petites (20 à 50 litres ; plutôt sous forme de tambours) à très grandes (2 à 5 m³). Pour les grands IBC, ils sont parfois appelés "big bags" ou "conteneurs", d'où la dénomination de mélangeur de conteneurs.

Ces systèmes, basés sur des tambours et des cuves IBC, gagnent en popularité dans l'industrie. Les processus de manutention de cuves et les mélangeurs IBC trouvent des applications notamment dans les secteurs pharmaceutique, agroalimentaire et des aliments pour bébés. Ils offrent une grande flexibilité et peuvent ouvrir la voie à différentes configurations de fabrication. Une seule station de mélange est utilisée, mais plusieurs conteneurs peuvent être employés pour augmenter la productivité. Pendant qu'une cuve est en cours de mélange, une autre peut être remplie tandis qu'une troisième est déchargée. L'occupation du système est ainsi optimisée. De même, le dosage peut être effectué de manière innovante, comme avec des trains de dosage, ou même le déplacement des conteneurs peut être réalisé via des véhicules au sol automatisés (AGV). En utilisant des vannes spécifiques, le remplissage et la vidange peuvent être effectués de manière hygiénique, sans perte de matière.

Figure 2 : Processus typique d'un mélangeur IBC en cuve

Accès au mélangeur

L'accès au mélangeur est normalement assez facile pour les mélangeurs rotatifs. En effet, comme il n'y a pas d'agitateur à l'intérieur du mélangeur, l'inspection et le nettoyage entre les lots (gâchées) sont relativement faciles.

Les tambours sont très faciles d'accès, tandis que les cuves IBC peuvent être plus difficiles à atteindre pour les grands conteneurs, car il est nécessaire d'atteindre le haut de la cuve pour accéder à la trappe de visite. Pour cette raison, il est possible de trouver sur le marché des stations de nettoyage de cuves IBC, qu'elles soient sèches ou humides.

Vannes d'admission et de décharge

Pour les conceptions classiques comme les mélangeurs bi-côniques ou en V, les vannes sont généralement du type papillon, parfois même manuelles, et la décharge peut être effectuée directement dans un sac ou vers une autre étape de traitement.

Pour les fûts, il n'y a dans la plupart des cas pas de vannes ; l'opérateur ouvre simplement le couvercle et bascule le fût vers l'étape de traitement suivante. Il est cependant à noter que de plus en plus de fournisseurs proposent désormais des fûts équipés d'une sortie conique avec vanne, simplifiant ainsi les manipulations.

Ces informations concernent les conteneurs IBC pour lesquels des développements récents ont conduit à deux types de vannes présents sur le marché (avec de nombreuses variantes selon les fabricants) : les **vannes coniques** et les **vannes papillon divisées**. Ces deux types de vannes visent à répondre aux défis suivants : réaliser l'arrimage automatique du conteneur IBC à la station de remplissage ou de décharge, et disposer d'un système étanche permettant d'éviter les émissions de poussière pendant le processus.

Instrumentation

Lors de la rotation du mélangeur, aucun instrument n'est connecté à la partie tournante (niveau, etc.). Cependant, la station de mélange est équipée de différents instruments :

• Capteur de vitesse si nécessaire
• Cage de sécurité équipée de verrous : il est obligatoire de maintenir toute personne à distance du mélangeur pendant sa rotation et d'empêcher son démarrage lorsque la cage est ouverte.
• Les parties actives des vannes de décharge (si celles-ci sont des vannes coniques ou des vannes papillon divisées) peuvent également être instrumentées.

ATEX

Les mélangeurs rotatifs présentent un avantage du point de vue ATEX, car il n'y a pas d'équipement rotatif *dans* le mélangeur. Cependant, la possibilité de fuites pendant la rotation doit être prise en compte pour définir le classement ATEX de la zone.

5. Problèmes courants des mélangeurs en cuve ("bin blenders")

Comment améliorer le mélange dans les mélangeurs rotatifs ("tumblers") ?

Tableau 1 : problèmes courants des mélangeurs en cuve

Problème	Recommandation
Temps de mélange trop long	Taille du lot trop importante – réduire la quantité de produit Vitesse de mélange incorrecte Séquence de remplissage inadaptée
Capacité insuffisante	Réévaluer le temps de mélange Envisager plusieurs stations de mélange en parallèle

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Sources

Mixing in the Process Industries, Harnby, Edwards, Wienow, Butterworth Heinemann, 1992
Food Mixing : Principles and Applications, Cullen, Wiley-Blackwell, 2009
Perry's Chemical Engineer's Handbook, McGraw Hill, 2008