Aération, Fluidisation, Perméabilité des poudres

L'interaction des poudres avec l'air modifie fortement leurs propriétés et doit donc être bien comprise par les opérateurs de procédés. Cette page explique pourquoi différents types de poudres se comportent différemment lors de l'aération et relie l'aération et la perméabilité aux observations de procédés (dans le transport pneumatique, les lits fluidisés, le dosage de poudres...)

1. Aération des poudres

La percolation d'un gaz à travers un lit de poudre peut fortement modifier sa masse volumique apparente ainsi que son aptitude à l'écoulement. Le flux d'air « aère » effectivement la poudre, la rendant plus fluide.

Cependant, toutes les poudres ne présentent pas le même comportement lorsqu'elles sont soumises à un flux d'air. Certaines poudres vont se dilater de manière homogène, tandis que d'autres resteront plus compactes avec l'air formant des "canaux".

Comment classer les poudres selon leur comportement à l'aération ?

La fluidisation des poudres a été étudiée par Geldart, qui a défini 4 groupes de produits et un graphique permettant d'estimer, à partir des propriétés du matériau, dans quel groupe se situe une poudre [Rhodes]. Les expériences ont été réalisées sur un lit fluidisé.

La masse volumique ρ_p des particules utilisée dans le graphique ci-dessus est définie comme la masse d'une particule divisée par son volume, y compris les pores ouverts et fermés.

Les groupes suivants sont définis :

• Groupe A : poudres aérables. Ces poudres retiennent très bien et de manière homogène l'air. Elles ont une faible perméabilité (voir paragraphe suivant) qui leur permet de retenir l'air dans le temps et de rester fluidisées. Elles peuvent être transportées de manière pneumatique, notamment en phase dense.
• Groupe B : poudres de type sableux, les interactions entre particules sont faibles, avec une faible perméabilité (voir paragraphe ci-dessous), ce qui signifie que les particules cessent d'être fluidisées dès que l'air est coupé. Les bulles peuvent grossir et atteindre le diamètre du lit fluidisé, créant des "pistons".
• Groupe C : poudres cohésives, le gaz ne pourra pas se répartir uniformément en bulles dans le lit de particules, mais formera plutôt des canaux (d'où le nom de "canalisation"). Il est possible d'anticiper si une poudre appartiendra au groupe C en comparant les masses volumiques apparentes en vrac et tassées. Si le rapport masse volumique tassée / en vrac > 1,4, alors la poudre peut appartenir au groupe C.
• Groupe D : poudres "jaillissantes", avec un comportement similaire au groupe B, bien que l'état de "jaillissement" puisse être atteint, où une colonne de gaz peut se former au centre du lit fluidisé (ceci nécessite cependant que l'air soit injecté par un point unique plutôt que d'être distribué sur toute la base du lit de particules).

Relation entre l'aération et l'aptitude à l'écoulement des poudres

La fluidisation de la poudre réduit les interactions entre les particules, qui sont plus éloignées les unes des autres, séparées par l'air (« aérées »). En conséquence, les poudres sont plus fluides. Ce principe de fluidisation est en réalité utilisé par certains aides à la vidange qui soufflent de l'air dans les trémies pour fluidiser les solides en vrac. Il est également utilisé dans les lits fluidisés, où l'air est distribué à la base d'un lit de poudre pour le fluidiser. D'autre part, certaines poudres peuvent se fluidiser excessivement et s'écouler de manière incontrôlée hors des silos (inondation), ce qui peut être le cas particulièrement des poudres du groupe A mentionnées ci-dessus.

2. Perméabilité des poudres

La perméabilité d'une poudre est une mesure de la facilité avec laquelle elle est traversée par un flux d'air. Si la poudre n'est pas très perméable, alors elle nécessitera une perte de charge élevée pour établir un flux à travers elle. En revanche, si elle est très perméable, l'air la traverse très facilement avec une perte de charge minimale.

La perméabilité peut être mesurée en préparant un échantillon de produit, en appliquant une charge sur le dessus de l'échantillon pour éviter qu'il ne se dilate (sinon, cela reviendrait à mesurer l'aération ou la fluidisation de la poudre), et en soumettant le système à un flux d'air depuis la base de l'échantillon. La perte de charge est ensuite mesurée. Comparer les pertes de charge induites par différents matériaux permet de définir leur perméabilité.

La perméabilité est également liée à la capacité de rétention d'air. Une poudre à faible perméabilité, une fois fluidisée, continuera en fait à piéger l'air pendant un certain temps et continuera à s'écouler même si le flux d'air cesse. Cela peut être intéressant pour le transport en phase dense, car la poudre sera moins sensible aux perturbations du procédé.

Sources

[Rhodes] Principles of Powder Technology, page 123, Rhodes, Wiley, 1990