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Mélangeurs à double arbre à palettes pour le mélange de poudres

Principe de mélange, conception, fonctionnement, applications

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Résumé de la section
1. Introduction
2. Principe de mélange des mélangeurs à double arbre à palettes (avec zone de fluidisation)
3. Paramètres opérationnels de mélange
4. Spécifications détaillées
5. Dimensionnement du mélangeur

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1. Introduction

Les mélangeurs industriels à double arbre à palettes constituent un choix de conception privilégié dans les industries de procédés depuis plus de 30 ans pour le mélange à sec de solides en vrac. Mélange. Ils offrent de nombreux avantages par rapport aux autres conceptions de mélangeurs , grâce à un principe de mélange basé sur la fluidisation du mélange, notamment un temps de mélange court et une manipulation douce du produit, ce qui peut être attractif dans des applications nécessitant une grande capacité et évitant d’endommager les ingrédients.

Cette page web se concentre sur la conception détaillée des :

• Lot mélangeurs à palettes
• Et plus particulièrement les mélangeurs à double arbre à palettes en mode atteignant une vitesse suffisante pour fluidiser les matériaux à mélanger (également appelés mélangeurs à double arbre ou mélangeurs à lit fluidisé). La plupart des concepts sont également valables pour les mélangeurs continus à double arbre à palettes.

Notez qu’il existe d’autres conceptions alternatives de mélangeurs à palettes :

• Mélangeur à palettes à arbre unique : le principe de mélange est différent de celui des mélangeurs à double arbre et se situe entre les mélangeurs à ruban et les mélangeurs à socs.
• Mélangeur à double arbre à palettes - non fluidisant : les mélangeurs à double arbre sont utilisés notamment pour le mélange de ciment , mais sans créer de zone de fluidisation ; le mélange est alors convectif, mais avec un nombre de Froude faible.

2. Principe de mélange des mélangeurs à double arbre à palettes (avec zone de fluidisation)

Les mélangeurs à double arbre à palettes sont des mélangeurs convectifs : le mélangeur est équipé de 2 agitateurs montés avec des palettes qui déplacent activement la poudre.

Pour que le mélange soit efficace, une certaine vitesse de rotation de l’arbre doit être atteinte. À cette vitesse, les palettes sont capables de soulever le solide et de créer une fluidisation du produit dans la zone centrale du mélangeur, ce qui explique la dénomination parfois rencontrée dans la littérature de *mélangeurs à lit fluidisé*. Cette zone, appelée *zone de fluidisation*, est l’endroit où le mélange se produit réellement. Les mélangeurs à palettes possèdent également des palettes profilées avec un angle défini, favorisant à la fois le mélange radial et axial, optimisant ainsi le temps total de mélange.

Figure 1 : Zone de fluidisation dans un mélangeur à double arbre à palettes

La vitesse de mélange, à laquelle le mélange est optimal, est atteinte lorsque le nombre de Froude est supérieur à 1. À un tel nombre de Froude, l’inertie est suffisamment élevée pour surmonter la gravité agissant sur les particules solides, ce qui permet aux palettes de soulever les solides et de créer la zone de fluidisation. Il n’est ni nécessaire ni souhaitable de faire fonctionner un mélangeur à double arbre à palettes avec un nombre de Froude supérieur à 1-1,1, car le temps de mélange ne sera pas significativement réduit et les apports d’énergie aux solides risquent de les dégrader (cassure des particules).

La vitesse de mélange optimale pour un mélangeur particulier peut être calculée en connaissant le diamètre de l’outil de mélange et en posant Fr = 1,1.

Équation 1 : Calcul de la vitesse de mélange requise pour un mélangeur à double arbre à palettes

Avec :
- R est le rayon de l’outil de mélange (du centre de l’arbre à l’extrémité de la palette) en m
- n est la vitesse de mélange en tr/min

Les mélangeurs à double arbre à palettes peuvent également être utilisés pour mélanger une petite quantité de liquide dans la poudre, généralement pour obtenir un léger effet d’agglomération. Cette injection ne doit pas dépasser quelques % du poids du lot afin d’éviter la formation de grumeaux. Pour des pourcentages plus élevés, il est toutefois possible d’équiper ces mélangeurs de désagglomérateurs, des petits couteaux tournant à grande vitesse et offrant un effet de cisaillement pour briser les grumeaux qui peuvent se former lors de l’injection de liquide et du mélange.

3. Paramètres opérationnels de mélange

Pour les mélangeurs industriels à double arbre à palettes, le temps de mélange est généralement de 30 s à 2-3 min. Un temps plus long, pour un mélange sec, signifie qu’un paramètre du mélangeur n’est pas correct.

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

• Taille du lot de mélange : min 30-40 % du volume total du mélangeur / max 70-80 % du volume total du mélangeur

• Vitesse de mélange : calculée et réglée pour atteindre Fr = 1-1,1

• Les ingrédients mineurs et en petites quantités doivent être introduits dans le mélangeur après les ingrédients principaux (ou en sandwich), de préférence dans la zone centrale du mélangeur

L’ homogénéité souhaitée du mélange doit être définie par l’opérateur final du mélangeur et testée lors de la qualification du mélangeur à double arbre à pales. Des prélèvements et analyses sont effectués.

Équation 2 : Calcul de la vitesse périphérique de l’outil de mélange

Avec :
- R est le rayon de l’outil de mélange (du centre de l’arbre jusqu’à l’extrémité de la pale) en m
- n est la vitesse de mélange en tr/min

4. Spécifications détaillées

Accès au mélangeur

La facilité d’accès est généralement considérée comme l’un des points forts des mélangeurs à double arbre à pales.

Selon les constructeurs, les options suivantes peuvent être commandées, classées par ordre de facilité d’accès pour les opérateurs :

• Arbres extractibles
• Porte frontale
• Portes latérales
• Couvercle supérieur ouvrant

La plupart des mélangeurs à double arbre à pales disponibles sur le marché ont les arbres supportés aux deux extrémités par des paliers. Cependant, certains constructeurs proposent également l’option d’arbres en porte-à-faux (paliers d’un seul côté), ce qui constitue un avantage pour les applications hygiéniques (alimentaire et pharmaceutique) en permettant d’extraire l’arbre et de laisser l’intérieur du mélangeur libre pour un nettoyage facile.

Figure 2 : Options d’accessibilité pour un mélangeur à double arbre à pales (exécution hygiénique)

Les options peuvent être commandées ensemble ou une par une.

Vannes de décharge

3 types de vannes de décharge peuvent être trouvés sur le marché, selon les fournisseurs et les besoins du client. Il peut y avoir 1 ou 2 vannes par mélangeur :

• Vannes à clapet simple : les vannes de décharge ont une forme rectangulaire. C’est le modèle le plus courant.

• Vanne de décharge ronde hygiénique : la vanne a une forme ronde et, une fois fermée, minimise les espaces où le produit peut s’accumuler et éviter d’être mélangé, contrairement au 1er type de vanne qui présente des jeux plus importants. Ces vannes ont une taille limitée, ce qui peut augmenter le temps de décharge et ainsi réduire la capacité du mélangeur.

• Porte-bombe : le fond du mélangeur peut être entièrement ouvert par de grands clapets. L’avantage principal est que le temps de mélange est très court (moins de 30 s) et que la quantité de produit restant dans le mélangeur est très faible. Cependant, il faut veiller à l’étanchéité des portes une fois fermées, ainsi qu’à l’accès pour le nettoyage sous les portes.

Selon la technologie choisie, le mélangeur déchargera dans une trémie entièrement connectée aux portes-bombe du mélangeur, ou dans une trémie séparée reliée par un court tuyau au mélangeur.

Instrumentation

Les mélangeurs à double arbre à pales peuvent être équipés de l’instrumentation suivante :

• Capteur de vitesse : permet de confirmer la rotation et la vitesse des arbres

• Capteurs de température : positionnés sur les paliers, permettent de détecter un échauffement anormal dû à des paliers endommagés

• Débitmètre : positionné sur l’alimentation en air comprimé pour le balayage des joints de paliers. Le balayage des joints de paliers constitue une fonction importante pour éviter la pénétration de produit dans les paliers, ce qui pourrait les endommager ou provoquer une combustion de la poudre, constituant ainsi une source d’inflammation pouvant causer une explosion de poussière.

• Capteur de position de vanne : permet de détecter que la vanne de décharge est fermée

• Verrous : placés sur chaque porte d’accès, assurent la sécurité de la machine en empêchant l’opérateur d’accéder au mélangeur pendant son fonctionnement, ou de démarrer le mélangeur si un point d’accès est ouvert.

Explosion de poussière (ATEX)

Pour traiter les poudres, les mélangeurs à double arbre à pales, dont la vitesse périphérique de l’outil de mélange est > 1 m/s, doivent présenter les caractéristiques suivantes :

• Le jeu entre l’extrémité des pales et le corps du mélangeur doit être > 4 à 5 mm

• Les joints de paliers doivent être pressurisés

• Lors du chargement et de la décharge, la vitesse du mélangeur doit être telle que la vitesse périphérique des pales soit < 1 m/s

La vitesse périphérique des pales peut être calculée grâce à l’équation 2 ci-dessus.

5. Dimensionnement des mélangeurs de solides

Le mélangeur doit constituer le goulot d’étranglement de l’installation de mélange, ce qui signifie qu’il ne doit pas être ralenti par les sections du procédé en amont ou en aval. La capacité de l’installation doit être donnée et une taille de lot doit être choisie en conséquence, en tenant compte également d’un nombre estimé de lots / h

Taille du lot (kg) = Capacité (kg/h) / Nombre de lots par heure (/h)

Le processus de mélange étant en réalité volumétrique, il est nécessaire de connaître la masse volumique apparente (non tassée) du mélange pour dimensionner correctement le mélangeur.

Taille du lot (l) = Taille du lot (kg) / Masse volumique apparente du mélange (kg/l)

De plus, il est crucial de considérer que le système ne doit jamais être rempli à 100 % de sa capacité, afin de laisser de l’espace pour le mouvement des particules.

Taille totale du mélangeur (l) = Taille du lot (l) / 0,7

Les mélangeurs ont généralement un coefficient de remplissage maximal compris entre 0,65 et 0,8.

Applications des mélangeurs à double arbre à pales : À quoi sert un mélangeur à pales ?

Les mélangeurs à double arbre à pales, grâce à leur principe de fonctionnement basé sur la fluidisation, trouvent de nombreuses applications dans les industries où un bon niveau d’homogénéité est requis, avec la possibilité de disperser des ingrédients mineurs < 0,1 % tout en ayant un mélange doux et un temps de mélange court :

• Pharmacie : mélange de principes actifs
• Alimentation infantile : préparations pour nourrissons ou céréales infantiles
• Agroalimentaire : mélanges prêts à préparer comme le café, le cacao, etc.
• Ingrédients alimentaires : arômes, prémélanges
• Chimie : mélange de réactifs, prémélanges

Certaines exécutions se trouvent cependant dans d’autres industries, comme dans le bâtiment (peut-on mélanger du ciment avec un mélangeur à pales…), l’environnement ou l’agriculture / l’alimentation animale / l’alimentation aquacole

Mélangeurs à double arbre à pales à vendre : comment sélectionner un mélangeur d’occasion (usagé) ?

De nombreux mélangeurs à ruban d’occasion peuvent être trouvés sur le marché. Lors de la recherche d’un mélangeur de seconde main, vous devriez vérifier les points suivants :

• Le mélangeur à pales a-t-il été utilisé pour une application similaire à vos besoins ?
• Recherchez des dommages sur les pales, des rayures à l’intérieur de la cuve, mesurez le jeu entre chaque pale et le carter ; il ne doit pas y avoir de contact métal-métal
• Faites fonctionner le mélangeur, écoutez les paliers, si possible mesurez les vibrations
• Si nécessaire, le mélangeur peut-il être nettoyé ?
• Le couvercle peut-il être modifié pour répondre à vos besoins en termes de raccords
• La vanne de décharge est-elle fonctionnelle
• Testez toute l’instrumentation qui peut accompagner le mélangeur
• Le mélangeur est-il conforme ATEX (risques d’explosion de poussière) pour la zone que vous avez définie ; sinon, peut-il être rétrofité

6. Applications spécialisées des mélangeurs à double arbre à pales

Les mélangeurs à double arbre à pales démontrent une polyvalence remarquable, trouvant des applications dans un large éventail de domaines spécialisés au sein de différentes industries :

• Industrie pharmaceutique : Dans les environnements pharmaceutiques, ces mélangeurs sont indispensables pour atteindre l’homogénéité stricte requise dans les formulations médicamenteuses. La capacité à mélanger délicatement les principes actifs garantit que les produits pharmaceutiques conservent une cohérence et une efficacité optimales.

• Industrie agroalimentaire : Reconnus pour leur mélange à la fois doux et complet, les mélangeurs à double arbre à pales jouent un rôle clé dans l’industrie alimentaire. De la préparation de mélanges prêts à l’emploi comme le café et le cacao à l’homogénéisation des ingrédients dans la production de divers produits alimentaires, ces mélangeurs contribuent à l’uniformité et à la qualité exigées par le secteur.

• Secteur chimique : L’industrie chimique tire un bénéfice significatif de la précision offerte par les mélangeurs à double arbre à pales dans le mélange des réactifs et prémélanges. Le mélange fiable et homogène des ingrédients répond au besoin du secteur chimique en matière de résultats précis et constants.

• Processus de construction et environnementaux : Au-delà des applications traditionnelles, les mélangeurs à double arbre à pales trouvent une utilité dans les projets de construction et les processus environnementaux. Leur adaptabilité les rend précieux pour des tâches telles que le mélange de ciment et contribuant aux solutions environnementales, illustrant la polyvalence de ces mélangeurs. Les mélangeurs à double arbre à pales peuvent cependant ne pas fluidiser dans ces applications.

• Agriculture et Alimentation Animale : Dans les secteurs de l’agriculture, de l’alimentation animale et de l’aquaculture, les mélangeurs à double arbre à pales sont utilisés pour leur capacité à manipuler efficacement divers ingrédients secs. Cela inclut le mélange de composants d’aliments pour garantir une ration équilibrée pour le bétail et l’aquaculture.