Claire MAYER Ingénieur de recheche, INRA Responsable de la plateforme de transformation des végétaux

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Rodolphe Rancourt
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1 Claire MAYER Ingénieur de recheche, INRA Responsable de la plateforme de transformation des végétaux

2 Parcours professionnel Ingénieur généraliste Mission humanitaire Alep, Syrie Procédés Scale-up Ingénieur procédés Norais technologies Thèse en GP Génie particulaire Etude dynamique et effet du changement d échelle pour plusieurs systèmes particulaires en mélangeur Turbula 2 / 27

3 Le mélange des poudres : une opération unitaire agroalimentaire pharmacie cosmétique matériaux composites Mélange des poudres - Critères et protocoles pour quantifier l homogénéité des mélanges - Choix du mélangeur - Détermination des paramètres opératoires - Loi d extrapolation 3 / 27

4 Plan 31 La dynamique de mélange Mélanges modèles (lactose/couscous) Mélanges composites (époxy/graphite) 2 Extrapolation 3 systèmes particulaires => Mélange composite 3 tailles de mélangeurs 3 Perspectives 4 / 27

5 Les mécanismes de mélange et de ségrégation Les mécanismes 1 de mélange : - Convection Cisaillement Diffusion Convection - Diffusion - Cisaillement [1] P.M.C. Lacey, 1954 Les mécanismes 2 de ségrégation : - Trajectoire Ségrégation par percolation trajectoire élutriation roulement [2] J. C. Williams, Percolation - Elutriation - Roulement 5 / 27

6 La dynamique de mélange pour les mélangeurs de poudres Mélangeur à Tambour rotatif g N Taux de remplissage f = V poudre V cuve Nombre de Froude Fr = N² R g J. Mellmann, / 27

7 Le dispositif de mélange Théorie de Schatz : Combinaison d une translation, d une rotation et d une inversion Mouvement chaotique efficacité du Turbula x 8,5 x 3,2 Labo : 2L Pilote :17 L Industrielle : 55 L 7 / 27

g = a g a : Accélération au point A T 2F : Labo T 10B : Pilote T 50A : Industrielle N tr.min -1 Fr N tr.

8 Régimes de fonctionnement pour le mélangeur Turbula Collisionnel Fr = Forces d inertie Forces centrifuges = Forces de gravité Forces de gravité = m.a m.g = a g a : Accélération au point A T 2F : Labo T 10B : Pilote T 50A : Industrielle N tr.min -1 Fr N tr.min -1 Fr N tr.min ,2 15 0,2 16 0,3 32 0,5 23 0,5 20 0, ,9 25 0,8 Fr 44 1,7 32 1,4 67 2,2 40 2,2 96 4,5 Avalanche Cataracte Collisionnel 8 / 27

9 Etude de la dynamique de mélange Etat ségrégé Temps Mélange stable Evolution de l état du mélange CV = σ x m tm Mécanismes de mélange Mécanismes de ségrégation Temps 9 / 27

10 Composition des mélanges Modèles Composite 85% 15% 85% 15% Lactose Couscous Graphite Matrice - d m = 65 µm - span = 1,9 - I c = 38 % - d m = 1014 µm - span = 0,7 - I c = 7,3% - d m = 75 µm - span = 2,6 - I c = 42 % - d m = 175 µm - span = 3,4 - I c = 25% écoulement fluide, Tendance à la ségrégation Mélange cohésif, pas de tendance à la ségrégation 10 / 27

11 CV (%) Cinétique de mélange pour les mélanges modèles 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% 2,00% Mélange par convection 0,00% Nombre de tours 11 / 27

12 Cinétique de mélange pour les mélanges modèles Fr 0,5 0,5 <Fr 2,5 Fr = 4,5 10% CV 10% CV 10% CV 8% 8% 8% 6% 6% 6% 4% 4% 4% 2% 2% 2% 0% Nombre de tours 0% Nombre de tours 0% Nombre de tours Ségrégation par roulement Ségrégation par trajectoire Ségrégation par percolation 12 / 27

13 CV (%) Cinétique de mélange pour les mélanges modèles 3,50% diffusion Ségrégation par percolation 22 tr/min 32 tr/min 46 tr/min 67 tr/min 96 tr/min 3,00% Ségrégation par trajectoire 2,50% Ségrégation par roulement 2,00% Nombre de tours Résultats en accord avec ceux de M. Marigo & al, 2011 Introduction Turbula Dynamique Scale-up Perspective 13 / 27

14 CV (%) Cinétique de mélange pour les mélanges composites 20,0% 17,5% 15,0% 12,5% 10,0% 7,5% 5,0% 2,5% Pas de mélange Erreurs d échantillonnage 22 tr/min 32 tr/min 96 tr/min 0,0% Nombre de tours De 0 à 15 tours Mélange par convection Introduction Turbula Dynamique Scale-up Perspective 14 / 27

15 CV (%) CV (%) Cinétique de mélange pour les mélanges composites 3% 32 tr/min 3% 96 tr/min 2% 2% 1% 1% 0% % Nombre de tours Nombre de tours Régime avalanche ou cataracte Régime collisionnel Résultats en accords avec ceux de M. Losada Martin & al, / 27

16 Conclusion Collisionnel : Fr =4,5 Produits cohésifs Cataracte : 0,5 Produits Fr < fluides, 2,5 ayant tendance à la ségrégation Avalanche : 0,2 Fr < 0,5 16 / 27

17 Plan 31 La dynamique de mélange Mélanges modèles (lactose/couscous) Mélanges composites (époxy/graphite) 2 Extrapolation 3 systèmes particulaires => Mélange composite 3 tailles de mélangeurs 3 Perspectives 17 / 27

18 Changement d échelle en génie des procédés Analyse dimensionnelle et principe des similitudes 1 [1] N. Midoux, 1985] 18 / 27

19 Changement d échelle en génie des procédés Forme des particules? Densité? D = Diamètre de la cuve N = Vitesse de rotation P = Puissance consommée Taille des particules Rugosité? Analyse dimensionnelle 1 difficile Pour deux procédés similaires géométriquement : - Similitudes cinématiques : vitesses des particules identiques 2 - Similitudes dynamiques : rapport des forces constant Fr [1] Y.L. Ding, 2001 [2] A. Alexander, / 27

20 Similitudes géométriques Rayon de l étrier = Entraxe* T 2F T 10B T 10B / T 2F T 50A T 50A/ T 2F Volume de la cuve 2L 17 L L 27.5 Entraxe 125 mm 225 mm mm 2.88 Diamètre de la cuve 130 mm 252 mm mm 2.84 Longueur de la cuve 200 mm 360 mm mm 2.83 Facteur d échelle constant * K. Wolhart, / 27

21 Nombre de Froude au point A Vitesse max du point A (m/s) Définition de points de fonctionnement cinématiques et dynamiques PFC5 2,50 2,00 T 50A v A = coef * N PFC4 PFC3 PFC2 PFC1 1,50 1,00 0,50 0,00 8 T 10B T 2F Vitesse de l'axe moteur : N (tr/min) Fr = Longueur N² g PFD4 PFD3 PFD2 PFD1 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 T 50A Fr A = coef * N² T 10B T 2F Vitesse² de l'axe moteur : N² (tr²/min²) 21 / 27

22 Effet du changement d échelle pour les mélanges composites Cible : qualité de mélange identique Critère cinématique? Critère dynamique? Égalité des CV 22 / 27

23 CV (%) Effet du changement d échelle pour les mélanges composites À 12 tours 6,00% 5,00% 4,00% cinématique dynamique 3,00% 2,00% 1,00% 0,00% PFC1 PFC2 PFD1 PFD2 T 2F 1,28% 1,52% 1,44% T 10B 1,76% 1,53% 1,76% 1,53% T 50A 2,47% 1,08% 23 / 27

24 Effet du changement d échelle pour les mélanges composites T 2 F Surface libre T 50A Définition d un autre nombre adimensionnel : Taille des particules Longueur caractéristique Distance de chute des particules? Volume de poudre Surface libre? 24 / 27

25 Plan 31 La dynamique de mélange 2 Extrapolation 3 Perspectives 25 / 27

26 Pistes de recherche Dynamique des procédés impliquant des solides divisés Compréhension physico-chimique du procédés - Identifier les forces prépondérantes - Travailler à échelles (particules, ensemble de particules, procédés) Analyse dimensionnelle et diagramme de fonctionnement des procédés Optimisation des procédés (rendement et d énergie) Changement d échelle Application de la méthodologie à d autres procédés Similitudes géométriques ne sont pas toujours applicable Coupler expérimentation et simulation 26 / 27

27 Merci pour votre attention 27 / 27

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