Mélange à sec : ajout de liquide pendant le mélange

1. Introduction : ajout de liquide à un mélangeur à sec

Mélange de solides en vrac est une opération très répandue dans les industries de procédé. Plusieurs composants secs sont chargés dans une séquence spécifique dans un mélangeur, tel qu'un mélangeur à pales, mélangeur à ruban ou même mélangeur en cuve, puis mélangé entièrement pendant une certaine quantité de temps. Le mélange sec résultant est ensuite utilisé pour d'autres étapes de procédé, ou peut être conditionné et vendu tel quel.

Dans un nombre surprenantment élevé de cas, toutefois, les fabricants n'utiliseront pas seulement des matières sèches mais injecteront également un liquide dans le mélangeur. L'ajout de liquide peut être réalisé pour de nombreuses fins mais est très souvent une amélioration de la formulation du mélange sec. Les principales raisons d'injecter un liquide lors du mélange de poudre sont les suivantes :

• Modifier les propriétés des solides, notamment les propriétés d'écoulement en atteignant un certain degré de agglomération - les liquides créent effectivement de petits ponts liquides entre les particules, liant ainsi les petites particules aux grosses. On parle alors de granulation ou d'agglomération humide, et le mélangeur est souvent appelé granulateur. Une telle granulation peut être utilisée pour améliorer l'écoulement du matériau en ayant des particules plus grandes et/ou pour réduire les risques de ségrégation lors des étapes suivantes du procédé
• Ajouter un composant, tel qu'un arôme qui n'a pas d'équivalent à l'état sec, un parfum ou un colorant

Il convient de noter que l'ajout de liquide ici est faible (de <1 % en poids à 8-10 %), ce n'est pas l'objectif de cette page de faire une bouillie mais plutôt granuler (augmenter la taille des particules) ou enrober la poudre sèche, bien que certains mélangeurs à sec continus sont parfois annoncés par leurs fabricants comme étant capables de traiter des masses comportant jusqu'à 50 % d'ajout de liquide.

L'ajout de liquide doit être ajusté en fonction du débit, du moment d'injection dans le cycle de mélange, afin d'éviter la formation de grumeaux. Certains systèmes sont conçus pour produire une pâte, mais il n'est pas l'objectif de cette page de les décrire.

2. Comment ajouter du liquide à un mélange de poudre ?

2.1 Pulvérisation de liquide

L'intérêt de la pulvérisation est de pouvoir couvrir une grande partie du volume du mélangeur plutôt que de concentrer tout le liquide dans une zone restreinte, ce qui provoquera très probablement des grumeaux. La pulvérisation ne doit pas être trop rapide, un ordre de grandeur du temps de pulvérisation étant de 20-30 s ; la buse de pulvérisation doit ensuite être sélectionnée en tenant compte de la forme du jet (veillez à éviter de toucher la paroi du mélangeur) et de la capacité à assurer un temps de pulvérisation suffisant.

Figure 1 : exemple d'un système de pulvérisation de liquide dans un mélangeur à cisaillement élevé

Les buses de pulvérisation à pression monophasée sont préférables aux buses d'atomisation à air qui peuvent envoyer trop de liquide contre la paroi / le couvercle du mélangeur. Si la technologie du mélangeur le permet, les buses doivent être installées de manière à ce qu'elles pulvérisent dans le zone fluidisée du mélangeur (entre l'arbre pour un mélangeur à pales à double arbre, par exemple) et ne doivent pas être trop proches du mélange de poudre afin que les gouttelettes puissent se former correctement avant d'entrer en contact avec la poudre.

2.2 Injection de liquide

Pour des proportions plus élevées, le liquide peut ne pas être pulvérisé, mais simplement injecté dans le mélangeur. Le point d'injection doit être proche d'un déagglomérateur afin d'éviter la formation de grumeaux de produit lors de l'ajout du liquide.

2.3 Dosage du liquide

Il existe 2 principaux moyens de doser la bonne quantité de liquide à un mélangeur :

• Utiliser une pompe (pompe à déplacement positif) et un débitmètre (pour les cas de faible sensibilité, le dosage peut être uniquement volumétrique basé sur le nombre de révolutions de la pompe)
• Disposer d'un réservoir sur cellules de charge et utiliser de l'air comprimé pour pressuriser le réservoir et pousser le liquide à travers la buse de pulvérisation

2.4 Pré-mélange

L'ajout de liquide, surtout s'il est assez visqueux, peut rendre le mélange difficile. Il peut alors être intéressant de disposer d'un pré-mélange temps avec uniquement les ingrédients secs avant d'introduire le liquide, afin que les ingrédients secs soient mélangés avec une certaine homogénéité.

2.5 Temps d'ajout et temps de mélange humide

Le système de dosage est souvent programmé en 2 étapes lorsqu'il faut gérer le liquide [Kansas] :

• Temps d'ajout de liquide pendant lequel le liquide est injecté / pulvérisé
• Temps de mélange humide pendant lequel le mélange est effectué après l'ajout du liquide

Afin d'optimiser le cycle temps, le temps d'ajout de liquide est souvent programmé pour être aussi rapide que possible. Cependant, aussi rapide que possible signifie que le débit de liquide doit être augmenté, ce qui peut entraîner une augmentation de la taille des gouttelettes de liquide et donc la formation de grumeaux. Un équilibre doit alors être trouvé entre l'optimisation du temps de cycle et les risques de création d'agglomérats de produit.

Le temps de mélange humide doit être suffisant afin de répartir correctement le liquide et peut devoir être augmenté si le temps d'ajout de liquide était trop court. Des expériences sont nécessaires afin de définir le temps optimal d'ajout de liquide et de mélange humide. [Kansas] suggère également que le type de mélangeur influence la façon dont le temps d'ajout impacte l'homogénéité et donc le temps de cycle total. Par exemple, les mélangeurs à ruban sont assez insensibles au temps d'ajout (les forces de cisaillement appliquées par le ruban peuvent aider à briser les agglomérats), tandis que cela importe pour les mélangeurs à pales (un temps d'ajout plus long peut permettre de profiter de l'effet fluidisant de ce type de mélangeur). Toutefois, l'article de [Kansas] souligne qu'il est difficile de définir des généralités et que l'expérience / validation doit être réalisée sur des mélangeurs industriels.

2.6 Utilisation du vide

Lorsqu'il faut pulvériser certains matériaux spécifiques, et surtout des arômes dans les industries alimentaires, il peut être intéressant de placer effectivement la poudre sous vide avant l'ajout des liquides. Le vide libère alors la porosité de la poudre de l'air, ce qui améliore ensuite l'adsorption du liquide pulvérisé et sa liaison avec la poudre. Le fabricant peut alors ajouter davantage de liquide tout en maintenant de bonnes propriétés de la poudre (notamment l'écoulement) et en assurant une bonne rétention du liquide dans la poudre.

3. Meilleurs mélangeurs pour l'ajout de liquide / granulation

Il est difficile de définir ce qui est le meilleur mélangeur lors de l'ajout d'une petite quantité de liquide à un mélange sec, toutefois les mélangeurs peuvent être regroupés en différents groupes selon les performances attendues.

3.1 Trémie mélangeurs / V mélangeurs

Les mélangeurs à chute libre rotatifs tels que les mélangeurs de trémie et les mélangeurs en V sont parfois proposés par leur fabricant comme adaptés à l'injection de liquide. Si l'ajout de liquide est possible, Ce type de mélangeur n'est pas optimal pour ce service car le taux de cisaillement est très faible, il n'y a pas de fluidisation de la poudre, ce qui signifie que l'injection de liquide entraînera presque certainement des grumeaux et une mauvaise homogénéisation du liquide dans le mélange de poudre. Par conséquent, afin d'améliorer le mélange, L' injection de liquide doit être effectuée près d'un déagglomérateur ou d'une barre d'intensification pour les mélangeurs en V (agitateurs à grande vitesse fournissant du cisaillement et donc détruisant les grumeaux). Les déagglomérateurs ont toutefois pour effet d'augmenter la fragmentation (dégradation) de la poudre, d'autant plus que le temps de mélange peut être long pour ces mélangeurs.

3.2 Mélangeurs à ruban

Les mélangeurs à ruban peuvent être équipés de systèmes d'injection / pulvérisation de liquide. Le liquide est pulvérisé sur la surface du mélange, puis un temps de mélange humide doit être appliqué pendant lequel le ruban aide à détruire les agglomérats et à distribuer la poudre. Ce temps de mélange humide peut être relativement long.

3.3 Mélangeurs à double arbre à pales

Les mélangeurs à double arbre à pales créent, pendant le mélange, une zone fluidisée entre les arbres de mélange. Cette zone de fluidisation peut être utilisée afin d'optimiser la pulvérisation des matériaux : la pulvérisation sur la poudre fluidisée réduit les risques de formation de grumeaux et permet d'atteindre une grande partie de la poudre avant même le début du temps de mélange humide. Si des grumeaux sont encore observés, notamment lorsque la quantité de liquide ajoutée est élevée, des déagglomérateurs peuvent être ajoutés au mélangeur.

3.4 Mélangeurs à cisaillement (mélangeurs à socs)

Ce type de mélangeurs, grâce à la forme de l'agitateur mais aussi à la vitesse de rotation de l'arbre est bien adapté à l' injection de liquide, et notamment pour un pourcentage élevé d' ajout de liquide où les propriétés d'écoulement de la poudre sont fortement influencées (par exemple par l'injection de graisses). Le cisaillement fourni par le mélangeur aide effectivement à détruire les grumeaux et à homogénéiser le mélange ; l'utilisation d'un ou plusieurs déagglomérateurs peut compléter l'effet de cisaillement déjà bon de l'arbre principal. En raison du cisaillement, ce type de mélangeur atteint généralement un temps de mélange court mais éventuellement avec une forte fragmentation de la poudre.

3.5 Déagglomérateurs

Les déagglomérateurs sont de petits agitateurs, généralement équipés d'outils de mélange en forme de lame et tournant à 1000-3000 tr/min, fournissant ainsi beaucoup de cisaillement localement. Ils sont toujours utilisés comme complément de l'agitateur principal du mélangeur sur lequel ils sont montés.

Source

[Kansas] Saensukjaroenphon, M.; Jones, C. K.; Fahrenholz, C. H.; et Stark, C. R. (2016) "The Effect of Liquid Application Times, and Mixer Types with Different Wet Mix Times on Uniformity of Mix," Rapports de recherche de la station expérimentale agricole du Kansas: Vol. 2: Iss. 8.