Rhéologie des poudres : analyses rhéologiques pour dimensionner des trémies et des silos

Les trémies et silos sont largement utilisées dans le stockage des poudres. Bien qu’ils soient souvent considérés comme des systèmes simples, ils sont responsables de nombreux problèmes d’interruption des processus lorsque l’on essaie de déplacer une poudre du stockage vers les différentes étapes d’une ligne de production ou de remplissage.

Si la géométrie de la trémie et la surface de l’équipement ne sont pas optimisées compte tenu des propriétés de la poudre, l’écoulement depuis la trémie peut être variable, voire inexistant.

Du point de vue du contrôle du processus, anticiper les caractéristiques d’écoulement de la poudre peut aider à éviter les redoutables éraflures de marteau sur les trémies, ou l’effondrement accidentel de la trémie.

• La formation d’une arche ou de pont est une situation d’arrêt de l’écoulement où la poudre crée un pont au-dessus de la sortie (Figure 1a), ce qui empêche complètement l’écoulement

• Le trou-de-rat est une autre situation d’arrêt de l’écoulement. Ce phénomène se produit lorsque le matériau qui est directement au-dessus de la sortie s’écoule mais que le reste de la masse de poudre, plus proche des parois, ne s’écoule pas. Cela crée un tunnel et des zones mortes (Figure 1b/d).

L’effondrement et le débordement incontrôlés de la poudre peuvent également poser problème

• Dans certaines conditions, notamment pour les poudres périssables, il est préférable d’obtenir un écoulement en masse (Figure 1c), où la première poudre entrant dans le silo est la première à être évacuée.

L’angle des parois de la trémie et le diamètre minimum de la sortie de trémie sont deux dimensions physiques prises en compte lors de la conception d’une trémie. Ces données sont déterminées expérimentalement à l’aide des mesures rhéologiques : tests de cisaillement, de frottement sur la paroi et de sa compressibilité dans le but de simuler les contraintes subies par une masse de poudre au fond d’une trémie ou d’un silo.

Cas d’étude de dimensionnement de trémies permettant de stocker quatre différentes poudres et minimisant les zones mortes : CaCO3, TiO2, Silice et une poudre végétale

• Test de friction à la paroi 

L’interaction d’une poudre avec les parois de son contenant, que ce soit dans un silo ou sur les surfaces d’une trémie, peut avoir un impact très important sur sa facilité de distribution, d’où l’intérêt de connaitre le comportement de la poudre avec son contenant.

Le test de friction à la paroi consiste à soumettre un volume connu de poudre à une contrainte de consolidation définie. La poudre est ensuite soumise à un cisaillement à l’aide d’une cellule à surface lisse jusqu’à ce le plan lisse glisse sur la poudre pour donner une indication de la friction de la poudre. Cette valeur peut être reliée à un angle auquel une poudre, sous une contrainte normale définie, glisse.

D’après nos résultats, il semble que la poudre de TiO2 génère le frottement le plus élevé. La poudre végétale glisse le plus facilement sur la surface du plan utilisé et donc à un frottement à la paroi significativement plus faible.

• Test de cisaillement 

Un test de cisaillement est similaire en conception à un test de frottement à la paroi, mais utilise plutôt une cellule de cisaillement à ailettes au lieu d’un plan lisse pour cisailler la poudre dans son volume. La cellule de cisaillement applique une contrainte de consolidation sur un volume connu de poudre, ensuite applique un cisaillement croissant jusqu’à ce que la poudre rompe et que l’écoulement soit obtenu. Une fonction d’écoulement de la poudre est obtenue (Figure 3), caractérisant la résistance à la déformation d’une poudre en fonction de la contrainte de consolidation. Plus la pente de la courbe est faible, plus la poudre s’écoule librement.

Dans cet exemple de comparaison de 4 poudres, nous pouvons voir que lorsque la contrainte de consolidation augmente, le TiO2 et le CaCO3 deviennent moins fluide, nécessitant des contraintes de cisaillement plus élevées pour s’écouler que la silice et la poudre végétale.

• Test de compressibilité 

Une poudre hautement compressible peut présenter des problèmes de distribution de masse ou de volume variables lorsque les niveaux de remplissage et donc les contraintes normales dans la trémie changent.

Dans notre comparaison (Figure 4), la poudre de TiO2 a la plus haute densité en vrac, suivie par la poudre végétale, le CaCO3 et enfin la poudre de silice ayant la plus faible densité en vrac. Toutes les poudres montrent un certain niveau de compressibilité sur la plage de contraintes de consolidation appliquées qu’il faut prendre en considération lors du dimensionnement.

• Dimensionnement

A partir des mesures rhéologiques et les analyses de Andrew Jenike nous avons calculé les dimensions d’un silo pour assurer un écoulement régulier en masse et d’éviter la formation d’une arche (Figure 5).

Dans le cas où l’angle des parois de la trémie n’est pas assez raide (supérieur à l’angle calculé) ou que le frottement est suffisamment élevé pour ne pas permettre l’écoulement le long de la parois, l’écoulement central ou l’écoulement en entonnoir qui se termine par un arrêt d’écoulement par formation d’un trou de rat, devient un potentiel risque.