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

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

Parcours professionnel Ingénieur généraliste Mission humanitaire Alep, Syrie Procédés 2005 2012 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

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

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

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, 1976 - Percolation - Elutriation - Roulement 5 / 27

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, 2001 6 / 27

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

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 -1 22 0,2 15 0,2 16 0,3 32 0,5 23 0,5 20 0,5 46 1 32 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

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

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

CV (%) Cinétique de mélange pour les mélanges modèles 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% 2,00% Mélange par convection 0,00% 0 5 10 15 20 25 30 35 Nombre de tours 11 / 27

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% 0 5 10 15 Nombre de tours 0% 0 5 10 15 Nombre de tours 0% 0 5 10 15 Nombre de tours Ségrégation par roulement Ségrégation par trajectoire Ségrégation par percolation 12 / 27

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% 10 100 1000 Nombre de tours Résultats en accord avec ceux de M. Marigo & al, 2011 Introduction Turbula Dynamique Scale-up Perspective 13 / 27

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% 0 5 10 15 20 25 30 35 Nombre de tours De 0 à 15 tours Mélange par convection Introduction Turbula Dynamique Scale-up Perspective 14 / 27

CV (%) CV (%) Cinétique de mélange pour les mélanges composites 3% 32 tr/min 3% 96 tr/min 2% 2% 1% 1% 0% 10 100 1000 10000 0% 10 100 1000 10000 Nombre de tours Nombre de tours Régime avalanche ou cataracte Régime collisionnel Résultats en accords avec ceux de M. Losada Martin & al, 2004 15 / 27

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

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

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

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, 2002 19 / 27

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 8.5 55 L 27.5 Entraxe 125 mm 225 mm 1.80 360 mm 2.88 Diamètre de la cuve 130 mm 252 mm 1.93 370 mm 2.84 Longueur de la cuve 200 mm 360 mm 1.80 565 mm 2.83 Facteur d échelle constant * K. Wolhart, 1981 20 / 27

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 12 22 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 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 0 2000 4000 6000 8000 10000 Vitesse² de l'axe moteur : N² (tr²/min²) 21 / 27

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

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

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

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

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

Merci pour votre attention 27 / 27