Première partie : opération de Mélange :
V. Les différents types de mélangeurs
Les mélangeurs étant souvent développés pour répondre à un besoin unique et précis sans une étude préalable sur les mécanismes mis en jeu, il en existe de nombreux types sur le mar-ché. Ils peuvent tout de même être classés dans quelques groupes génériques :
– les cuves tournantes, – les mélangeurs convectifs,
– les mélangeurs à fort cisaillement, – les mélangeurs statiques,
– les mélangeurs à lit fluidisé, – les combinaisons de mélangeurs
V.1.Les cuves tournantes :
Le principe de fonctionnement des mélangeurs « par retournement » est simple : une en-ceinte fermée est mise en rotation autour d’un axe forçant les particules à rouler les unes par rapport aux autres à la surface du mélange. La taille de la cuve est très variable. On trouve des modèles allant de quelques litres pour un mélangeur de laboratoire à plusieurs dizaines de mètres cubes pour les modèles les plus volumineux. Le taux de remplissage de la cuve est habituellement de 50% du volume total pour laisser les particules se déplacer librement au sein de la cuve. La vitesse de rotation est variable (de 3 à 100 tr ¢min¡1) et dépend de la capa-cité de la cuve mais doit normalement être de la moitié de la vitesse critique du mélangeur. Haranby et al. (71) ont défini cette vitesse critique comme la vitesse à laquelle l’action de la force centrifuge sur une particule compense la gravité. DING et al. (66) ont mis en évidence deux types de régimes d’écoulement. Le régime quasi-statique pour lequel la déformation du matériel granulaire est lente, et la fluctuation de vitesse et donc de la température du milieu est négligeable. Le régime d’écoulement granulaire rapide dans lequel le matériel granulaire
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est entièrement en mouvement, et la contribution des frictions au travail total est négligeable. Ces mélangeurs sont les plus simples car ils sont dépourvus de pièces internes ce qui facilite le nettoyage par exemple. De ce fait, ils sont couramment rencontrés dans l’industrie pharma-ceutique. Les mélangeurs par retournement les plus utilisés sont les mélangeurs cubiques, cylindriques en V ou en Y (cf. figure 31).
Fig. 31: Quelques exemples de mélangeurs à cuve tournante en «V», (a) axe de rotation dans le plan des cuves (b) axe de rotation perpendiculaire au plan des cuves(4).
V. 2. Les mélangeurs convectifs
Dans la majorité des mélangeurs convectifs, un système d’agitation est installé dans un appareil statique pour déplacer les particules par groupes d’un endroit à un autre dans la cuve de mélange. On peut noter que dans ce genre de mélangeurs, le mécanisme d’avalanche est rarement prépondérant. Le mélangeur à ruban (cf. figure 32) est l’exemple le plus courant. Les vitesses de rotation varient de 20 à 60 tr ¢min¡1 pour une capacité de cuve allant de quelques litres à plusieurs dizaines de mètres cubes. Les mélangeurs à pales ou à socs (cf. figure 33) opèrent à des vitesses proches de celles mises en jeu dans les mélangeurs à rubans. Mais les pales incorporant beaucoup d’air dans le mélange, ce système tend à fluidiser le lit de particules par une action mécanique importante. De la grande mobilité des poudres au sein du mélangeur, découle un temps de mélange de l’ordre de la minute qui est relativement court comparativement aux mélangeurs à ruban.
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Dans les mélangeurs à vis comme le Nautamix® (cf. figure 34), la vis d’agitation peut se déplacer en périphérie de la cuve conique pour agrandir la zone de mélange. Il reste cependant une large zone médiane dans laquelle le mouvement des particules est dû à leur mouvement naturel et le risque de zone morte est relativement important.
Fig. 32:Mélangeur à rubans hélicoïdaux (64). Fig. 33: Mélangeur à socs(64).
Fig. 34:Mélangeur orbital à vis (64).
Certains des mélangeurs convectifs fonctionnent à des vitesses d’agitation beaucoup plus élevées, comme les mélangeurs dits à turbine (cf. figure 35). Ces vitesses de rotation très im-portantes peuvent entraîner de rapides montées en température, ce qui peut altérer le produit.
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Ce type d’appareil se rapproche ainsi des mélangeurs à haut cisaillement. Pour les Turbos-phères® Moritz de la figure 36 le mobile balaye le fond de la cuve. Le mélangeur de forme sphérique est surtout utilisé pour les pâtes non newtoniennes très visqueuses ayant une visco-sité cinématique supérieure à 100 Pa ¢ s. Celles-ci remontent le long de la paroi en hélicoïde puis redescendent suivant l’axe. Ce matériel destiné aux opérations difficiles assure un mé-lange rapide, mais au prix d’une consommation énergique très élevée : le rapport Puissance sur Volume P/V est compris entre 15 et 50kW.m-3 (68).
Fig. 35 : Mélangeur à turbine à cuve(64). Fig.36: Turbosphère Moritz biconique (64).
V.3. Les mélangeurs à haut cisaillement
Les mélangeurs à haut cisaillement (cf. figure 37) sont typiquement constitués d’un con-tainer statique dans lequel une lame, ou une barre intensificatrice tourne à des vitesses élevées de l’ordre de 1000 à 3000 tr .min-3. La capacité de ces mélangeurs est relativement faible : elle varie de 1 à 3m3 et en utilisation en continue, les débits peuvent allerjusqu’à 250 t .h-1.
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Fig. 37 : Mélangeurs à haut cisaillement (71).
Les forts cisaillements rencontrés dans ce type d’appareil dégradent la plupart des produits. Cela peut être un avantage si l’on souhaite diminuer la taille de certains agrégats.
On peut noter que ces appareils sont parfois utilisés pour granuler, bien que l’énergie mise en jeu brise la plupart des structures. En général il est déconseillé d’utiliser ce genre de mé-langeur pour les poudres à écoulement libre et il faut s’assurer que les poudres cohésives ne stagnent pas dans des zones mortes. On utilise parfois des appareils comparables aux broyeurs à broches ou à marteaux comme mélangeur à haut cisaillement. Ce type de mélangeur permet de briser certains agglomérats de poudres très cohésives et d’améliorer la qualité ou la texture de mélange (cf. figure 1.44). Cependant du fait du broyage, les propriétés d’usage sont certai-nement différentes.
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Fig.38: Broyeur à marteaux), (1) chambre de broyage, (2) coque du broyeur, (3) plaques de chocs, (4) contre-marteaux, (5) contre-marteaux, (6) rotor, (7) évacuation (87).