Utilisation des tests dynamiques de poudre pour optimiser les processus d'emballage

18 octobre 2016

Haver & Boecker est un fournisseur spécialisé de machines d'emballage et de criblage pour les industries manufacturières, avec des clients concentrés dans les secteurs de l'alimentation, de la chimie en vrac et des peintures. Une activité majeure est la spécification et la fabrication de solutions d'emballage clés en main pour les poudres et les granulés qui comprennent généralement : des silos et des trémies pour le stockage ; stations de remplissage pour conteneurs de vrac intermédiaires (IBC) ou sacs de 1 à 50 kg ; systèmes de dosage et de pesée; et installation de transport pneumatique. Des centaines de solutions personnalisées sont fournies chaque année, chaque nouveau produit présentant un défi différent pour le traitement des poudres. Il y a une dizaine d'années, Haver & Boecker a investi dans un rhéomètre à poudre FT4 de Freeman Technology, Royaume-Uni, pour mesurer la fluidité des matériaux manipulés dans le but d'assurer une sélection et une optimisation plus efficaces et plus robustes des équipements. Cet article explore l'impact que la mesure précise du débit de poudre a eu et comment les données fournies par l'instrument sont utilisées par l'entreprise pour affiner son approche de la conception et des spécifications de l'équipement.Fluidité dans l'industrie de l'emballage Pour Haver & Boecker, chaque nouveau projet de solution d'emballage commence par une évaluation des propriétés physiques du matériau à traiter. Assurer un flux continu de matériaux à travers une ligne de conditionnement est essentiel et repose sur la sélection d'équipements bien adaptés aux caractéristiques inhérentes de la poudre ou des granulés manipulés. À long terme, une mauvaise correspondance compromet la rentabilité en réduisant le débit, en provoquant des arrêts de machine et des temps d'arrêt excessifs, et en augmentant le besoin d'intervention manuelle. Il est donc crucial d'identifier les propriétés physiques à mesurer pour éviter ces problèmes. Des caractéristiques telles que la densité, la distribution granulométrique, la teneur en humidité et en matières grasses, le compactage et la forme des particules ont toutes été mesurées depuis longtemps pour guider la sélection des équipements. Ces paramètres affectent tous le comportement du matériau et la fluidité de la poudre - un trait critique pour le traitement et l'emballage. Cependant, la société a reconnu que même combinés, ces paramètres étaient insuffisants pour quantifier de manière fiable la fluidité d'une manière corrélée avec les performances de l'usine - une information essentielle manquait, pour une spécification d'équipement robuste. Les premières tentatives pour combler ce manque d'information en mesurant directement la fluidité étaient centrées sur l'utilisation d'une cellule de cisaillement Jenike. Cette technique consiste à mesurer les forces nécessaires pour cisailler un plan de poudre consolidé par rapport à un autre et quantifie la cohésivité d'une poudre via des valeurs de limite d'élasticité non confinée (UYS) et d'autres paramètres. Ces données sont largement utilisées dans la conception des trémies, pour le dépannage du déchargement des trémies, et aussi, plus largement, pour le classement de la fluidité. Cependant, l'analyse des cellules de cisaillement peut être manuelle intensive, longue et sujette à une variabilité significative d'un opérateur à l'autre, en fonction de l'instrument utilisé. Haver & Boecker ont constaté que la mesure d'un seul produit avec la cellule de cisaillement pouvait prendre jusqu'à une demi-journée et que la classification résultante de la poudre pouvait varier entre "fluide" et "collante" en raison de la variabilité de l'opérateur. technique. Il s'agissait clairement d'une solution loin d'être idéale et la décision a été prise de rechercher des alternatives.Adopter les tests dynamiques de poudre Vers 2005, lorsque Haver & Boecker ont commencé à rechercher des méthodes alternatives pour la mesure de la fluidité des poudres, le test dynamique des poudres était une technique relativement nouvelle ; sa pertinence industrielle n'était en grande partie pas prouvée, mais les avantages possibles étaient déjà clairs. Les tests dynamiques, contrairement à la configuration existante de la cellule de cisaillement, offraient une mesure relativement rapide et efficace et, tout aussi important, traitaient les données pertinentes. Les tests dynamiques sont très sensibles et peuvent différencier les poudres que l'analyse par cellule de cisaillement classe comme identiques, mettant en évidence les différences qui auront un impact sur les performances du processus. Une évaluation technique rigoureuse a conduit l'entreprise à conclure qu'un investissement dans la capacité de test dynamique des poudres donnerait accès aux meilleures données de fluidité disponibles et elle est devenue l'un des premiers utilisateurs du rhéomètre à poudre FT4 de Freeman Technology. La formation initiale dispensée pour le rhéomètre à poudre FT4 était complète et l'instrument est rapidement devenu une utilisation de routine, les opérateurs trouvant la mesure simple et directe. Depuis lors, le rhéomètre à poudre FT4 a fourni 10 ans de fonctionnement ininterrompu et sans entretien. Au cours de cette période, environ 1000 échantillons ont été analysés chaque année, un rythme de travail substantiel accompli grâce à une fiabilité impressionnante.Capitaliser sur les données dynamiques Une difficulté principale associée à la spécification de toute forme d'équipement de traitement de poudre est qu'il existe peu d'algorithmes de conception sécurisés reliant les performances de différentes pièces d'équipement avec des propriétés de poudre mesurables. La conception des trémies est sans doute le domaine où une approche « scientifique » est la mieux établie, mais même dans ce cas, une optimisation robuste peut être difficile. L'approche pragmatique pour ceux qui sont régulièrement confrontés à la spécification d'équipements de traitement pour les poudres et les granulés consiste donc à développer une base de données pour lier les propriétés mesurables des matériaux aux performances observées du processus. Les solutions qui ont bien fonctionné pour les poudres aux propriétés spécifiques fonctionneront probablement à nouveau pour celles dont les caractéristiques sont très similaires. Haver & Boecker a largement étudié l'impact de la fluidité sur les performances de l'équipement en mesurant le BFE de chaque poudre manipulée au cours de la dernière décennie. Les poudres avec une valeur BFE identique ou similaire ont tendance à nécessiter un équipement d'emballage similaire car l'impact de l'écoulement est si crucial, mais d'autres propriétés sont également prises en compte pour garantir la meilleure solution. En corrélant l'expérience avec les mesures dynamiques, l'entreprise a effectivement créé et affiné son propre processus de conception interne. Avec une décennie de données en place, les ingénieurs sont confortablement assurés de leur confiance dans ce processus et peuvent fournir en toute sécurité des solutions à faible risque avec un degré élevé de confiance. Plus particulièrement, des conceptions peuvent être développées pour minimiser la quantité d'air dans le processus, maximisant ainsi le débit. Minimiser la teneur en air des poudres conditionnées maximise le remplissage des sacs et constitue donc un objectif déterminant pour l'industrie. Cependant, la quantité d'air présente dans la poudre affecte directement la facilité avec laquelle elle s'écoule. Des équipements tels que des jets d'aération sont donc couramment utilisés pour lubrifier des poudres moins fluides afin d'améliorer leurs performances d'écoulement. En quantifiant de manière robuste la fluidité, les tests dynamiques ont permis à Haver & Boecker de réduire la quantité d'air dans leurs solutions d'emballage à un minimum absolu, optimisant ainsi le débit, tout en réduisant les risques du processus en ce qui concerne les blocages/temps d'arrêt. C'est un gain important qui sous-tend la fourniture de solutions de traitement hautement compétitives.Exemple d'étude : une solution d'emballage pour le cacao Le tableau 1 montre les données de test pour deux poudres de cacao différentes, y compris la teneur en humidité, la densité apparente et les valeurs BFE. Ces données indiquent que bien qu'il s'agisse d'échantillons du « même » produit, ils sont en fait nettement différents. Le cacao 1 a une densité apparente, lâche et tassée plus élevée, et présente également un comportement d'aération homogène, ce qui suggère que l'ajout d'air lubrifie efficacement chaque particule individuelle. En revanche, Cocoa 2 canalise lorsqu'il est aéré, une réponse généralement associée à des forces inter-particulaires relativement fortes, et se désaère plus rapidement. Ce sont des caractéristiques très importantes lorsqu'il s'agit de sélectionner des solutions d'emballage. Le BFE de Cocoa 2 est nettement inférieur à celui de Cocoa 1, ce qui indique qu'il est susceptible de s'écouler plus facilement. Les essais des deux produits ont été menés dans une machine « air packer » (voir figure 2). Celui-ci est constitué d'une chambre de pression à fond incliné, pour faciliter la vidange et le nettoyage, et permet de faire varier le taux d'aération en fonction des caractéristiques du produit. L'aspiration continue pendant le remplissage garantit des taux de remplissage élevés avec une pression interne minimale du sac. Lors des essais, il a fallu 23 secondes pour remplir un seul sac de 25 kg avec Cocoa 2. Cela a entraîné une cadence de remplissage de 110 sacs par heure. Comme le suggéraient les chiffres du BFE, le cacao 1 ne s'écoulait pas aussi bien et cette poudre prenait 30 secondes pour remplir le même sac ; la production de la machine est tombée à 90 sacs par heure. Ces résultats sont typiques de ceux observés sur une large gamme de produits différents et démontrent comment les valeurs BFE peuvent être utilisées pour prédire les performances probables des solutions d'emballage et garantir des attentes réalistes en ce qui concerne le taux de remplissage et le débit.Dernières pensées Une caractérisation physique complète constitue la base de la conception/sélection de toute solution d'emballage. Pour Haver & Boecker, la satisfaction du client repose sur la définition d'une solution de traitement qui fonctionnera de manière fiable pour son produit, dès le départ, sans modification ni dépannage. L'optimisation de ce processus de caractérisation physique est donc cruciale. L'adoption de la mesure dynamique du débit de poudre avec le rhéomètre de poudre FT4 s'est avérée très efficace, par rapport aux autres options de test de poudre, et fournit des données très pertinentes pour la sélection de l'équipement de traitement. L'entreprise mesure désormais la fluidité de chaque échantillon qu'elle reçoit. La corrélation des résultats avec l'expérience de traitement accumulée au cours d'une décennie de tels tests aide à identifier la meilleure machine d'emballage pour chaque produit. En appliquant cette approche, l'entreprise peut spécifier en toute confiance des solutions d'emballage hautes performances, pour une large gamme de matériaux, qui maximisent le débit, tout en minimisant le risque opérationnel. ___________________________________________________________________________________Essais dynamiques de poudre Le test dynamique de poudre, comme son nom l'indique, consiste à mesurer une poudre en mouvement. Les propriétés dynamiques de la poudre sont déterminées à partir des mesures du couple et de la force agissant sur une lame hélicoïdale lorsqu'elle tourne à travers un échantillon de poudre le long d'un trajet défini. Les échantillons peuvent être mesurés dans un état consolidé, à contrainte modérée, aéré ou même fluidisé, représentant toute la plage de contraintes qui existe dans le traitement de routine des poudres. En effet, la technique a été spécifiquement développée pour tester les poudres à l'appui des études de conception, d'optimisation et de dépannage des processus, et est largement utilisée pour maximiser la compréhension du comportement d'une poudre dans un environnement de processus donné. Le paramètre Basic Flowability Energy (BFE) est un propriété dynamique de base qui quantifie la façon dont une poudre s'écoulera dans des conditions de forçage ou dans un état confiné. Elle est mesurée en soumettant la poudre à une traverse descendante d'une lame qui la pousse contre la base de confinement de la cellule d'échantillon. Le BFE est un paramètre hautement différenciateur, capable de détecter des différences entre des échantillons de poudre que d'autres techniques classeraient comme identiques. Il peut être utilisé avec succès pour suivre des changements relativement modestes dans les caractéristiques des poudres/granulés et pour différencier des matériaux étroitement similaires d'une manière qui se rapporte à leur aptitude au traitement.

Jamie Clayton est directeur des opérations, Freeman Technology Ltd, et Thomas Hilling est directeur du centre de R&D, Haver & Boecker. Pour plus d'informations sur Freeman Technology Ltd, visitez www.freemantech.co.uk. Pour plus d'informations sur Haver & Boecker, visitez www.haverboecker.com.

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