La haute et la basse viscosité dans les procédés de mélange déterminent la résistance qu’un produit oppose à l’écoulement, mais la valeur de viscosité ne suffit pas à déterminer quel mélangeur convient. À faible viscosité, l’accent est généralement mis sur une circulation contrôlée dans la cuve et sur l’évitement d’un vortex, tandis qu’à haute viscosité, un déplacement suffisant de la masse, un couple adéquat et un cisaillement local sont nécessaires pour éviter les zones mortes. Le bon choix dépend en outre de la température, du taux de cisaillement, du comportement d’écoulement dépendant du temps, de la charge en particules et de l’étape du procédé au cours de laquelle la viscosité apparaît.
La viscosité est la résistance qu’un liquide ou un produit semi-solide oppose à la déformation et à l’écoulement sous l’effet d’une contrainte de cisaillement.
La haute et la basse viscosité ne sont pas des valeurs fixes
La distinction entre haute et basse viscosité est toujours relative aux conditions du procédé et à l’équipement utilisé. Un produit qui s’écoule facilement d’un fût peut s’épaissir fortement pendant l’ajout de poudre ; une pâte qui bouge à peine au repos peut au contraire devenir facilement pompable sous cisaillement. Une désignation telle que « épais » ou « fluide » ne suffit donc pas pour choisir une machine.
La viscosité dynamique décrit le rapport entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement. La viscosité cinématique tient également compte de la masse volumique, mais, pour l’évaluation technique du mélange, la viscosité dynamique ou apparente et le comportement d’écoulement complet sont généralement plus pertinents. Une spécification fiable du produit mentionne donc également la température de mesure, la méthode de mesure et le taux de cisaillement appliqué.
| Caractéristique du procédé | Faible viscosité | Haute viscosité |
|---|---|---|
| Écoulement de la masse | Le produit se met relativement facilement en mouvement et peut rapidement former un vortex. | Le produit se déplace difficilement et tend à rester immobile près de la paroi, du fond ou de la surface du liquide. |
| Régime d’écoulement | Un mélange turbulent est généralement plus facile à obtenir. | L’écoulement laminaire et la déformation locale prédominent plus souvent. |
| Principale tâche de mélange | Circulation dans toute la cuve et maîtrise de l’entraînement d’air. | Déplacement actif de la totalité de la masse sans zones mortes. |
| Ajout de poudre | La poudre peut flotter, générer de la poussière ou être entraînée dans le produit avec de l’air. | La poudre peut rester à la surface et former des agglomérats secs. |
| Transfert thermique | La convection répartit généralement plus facilement la chaleur dans la cuve. | Une couche limite immobile peut ralentir le chauffage ou le refroidissement et provoquer des écarts locaux de température. |
| Risque de conception typique | Beaucoup de mouvement en surface, mais un mélange effectif insuffisant dans la cuve. | Bon cisaillement local au niveau de l’organe de mélange, mais renouvellement insuffisant du produit autour de cet organe de mélange. |
La viscosité apparente change pendant le mélange
De nombreux aliments, revêtements, cosmétiques et suspensions pharmaceutiques sont non newtoniens : leur viscosité change avec le taux de cisaillement. Les produits rhéofluidifiants deviennent plus fluides dès qu’un mélangeur, une pompe ou un rotor-stator apporte de l’énergie. Les produits rhéoépaississants opposent au contraire davantage de résistance lorsque le cisaillement augmente, si bien qu’une vitesse supérieure n’améliore pas automatiquement le traitement.
Les produits thixotropes deviennent progressivement plus fluides sous un cisaillement prolongé et reconstituent leur structure au repos. D’autres formulations présentent un seuil d’écoulement : le produit ne commence à s’écouler de manière perceptible que lorsque la contrainte de cisaillement appliquée dépasse ce seuil. L’erreur la plus fréquente consiste donc à utiliser directement une valeur de viscosité mesurée en laboratoire comme valeur de conception constante pour la totalité du lot.
“Dans la pratique, on se focalise sur la viscosité du produit fini, alors que c’est la viscosité maximale pendant le dosage des poudres qui détermine si l’installation se bloque ou continue de fonctionner.”
Bart Brouwer
Responsable des ventes RS Contracting
Pour les produits complexes, un rhéogramme est plus utile qu’un seul point de mesure. Il montre comment la viscosité apparente évolue sur la plage de cisaillement pertinente et s’il existe une hystérésis, une thixotropie ou un seuil d’écoulement. Pour le changement d’échelle, ces informations doivent être mises en relation avec les pompes, les tuyauteries, la géométrie de la cuve et les zones de mélange.
La température et la formulation peuvent inverser la viscosité
La température influence directement la viscosité et peut également activer la fusion, l’hydratation, la gélification ou la cristallisation. Pendant le chauffage, un produit peut d’abord devenir plus fluide, puis s’épaissir fortement sous l’effet d’une réaction, du refroidissement ou de la constitution d’une structure. Un mélangeur sélectionné uniquement pour la viscosité initiale peut ainsi s’avérer insuffisant précisément pendant la phase critique du procédé.
L’ordre de dosage est également déterminant. Les poudres augmentent la charge en matières solides, les liants peuvent fixer localement l’eau et les polymères peuvent former un réseau après hydratation. La conception doit donc pouvoir traiter non seulement la viscosité finale, mais aussi le profil de viscosité complet, depuis le premier liquide jusqu’à la désaération, au refroidissement et à la vidange.
La faible viscosité exige une circulation sans mélange apparent
À faible viscosité, la tâche principale consiste généralement à créer un profil d’écoulement prévisible dans toute la cuve. Une surface liquide tournant rapidement peut donner l’impression d’un mélange intensif, alors que les couches de liquide tournent ensemble dans le plan horizontal et que l’échange vertical reste limité. Un vortex ne prouve donc pas l’homogénéité.
Un écoulement axial ou un jet propulsif dirigé transporte le produit entre le fond, la paroi et la surface. Les proportions de la cuve, le niveau de liquide, la position du mélangeur et les éventuelles chicanes déterminent si cette boucle de circulation atteint la totalité du contenu. Une géométrie adaptée est souvent plus importante qu’une simple augmentation de la vitesse.
Pour un produit fluide, une contrainte de cisaillement locale élevée n’est nécessaire que lorsque l’objectif du procédé va au-delà du mélange. Pour rompre des agglomérats, affiner une dispersion ou former une émulsion, un rotor-stator peut convenir ; pour répartir uniformément deux liquides facilement miscibles, une technique aussi intensive peut être inutile. La distinction entre mélange et dispersion technique évite le surdimensionnement et les sollicitations indésirables du produit.
L’entraînement d’air constitue un risque pour les produits fluides
Une faible viscosité rend le produit sensible à la formation de vortex, aux projections en surface et à l’entraînement d’air. L’air entraîné peut provoquer de la mousse, accélérer l’oxydation, perturber la capacité effective de la pompe et influencer les mesures de masse volumique ou de remplissage. Dans les émulsions et les suspensions, les bulles d’air peuvent en outre fausser l’évaluation de l’homogénéité et de la répartition des particules.
La solution ne consiste pas toujours à mélanger plus lentement. Une autre position de montage, une immersion appropriée, un profil d’écoulement adapté ou une induction de poudres en circuit fermé peuvent limiter l’entraînement d’air sans perdre la circulation nécessaire. Lorsque le produit lui-même mousse fortement ou que la désaération est lente, le mélange sous vide peut être pertinent, mais le vide ne corrige pas une géométrie de mélange mal choisie.
La haute viscosité rend le transport de la masse déterminant
À haute viscosité, le mélangeur doit déformer et déplacer la totalité de la masse du produit, et pas seulement créer une zone intensive autour de la tête de mélange. En raison de la turbulence limitée, la quantité de mouvement se répartit moins facilement dans la cuve. Des couches proches des parois, des zones de fond ainsi que la région située au-dessus ou au-dessous de l’organe de mélange peuvent donc rester pratiquement immobiles malgré un apport local important d’énergie.
Un rotor-stator fournit un fort cisaillement local, mais ne constitue pas automatiquement une solution complète pour un lot visqueux. Si le produit frais n’atteint pas suffisamment le rotor-stator, le même petit volume est traité en permanence et le reste de la cuve demeure en retrait. Une fonction de circulation distincte, un jet propulsif dispersant ou une combinaison adaptée d’organes de mélange peut alors être nécessaire.
Lors d’un traitement en ligne, le produit doit en outre pouvoir alimenter la machine de manière fiable. Un produit très visqueux, un seuil d’écoulement élevé ou une mauvaise alimentation peuvent entraîner un remplissage insuffisant, une inclusion d’air ou de la cavitation. Le diamètre des conduites, les coudes, les vannes, les conditions d’aspiration et la pompe utilisée font donc partie du système de mélange et ne doivent pas être considérés comme des services auxiliaires distincts.
Un cisaillement plus élevé peut endommager le produit
Un cisaillement élevé n’est pas toujours la bonne réponse à une haute viscosité. Les émulsions sensibles à la structure, les produits fibreux, les cristaux ou les particules fragiles peuvent être endommagés lorsque la sollicitation locale dépasse ce que la formulation peut supporter. Un échauffement indésirable peut également se produire lorsque l’énergie mécanique est transformée en chaleur dans le produit.
Pour certains procédés, un brassage lent mais complet est préférable à une dispersion intensive. La structure finale souhaitée, la température maximale admissible et la sensibilité au cisaillement doivent donc être définies avant de choisir un principe de mélange. Sans essai produit, il n’est pas toujours possible de prévoir de manière fiable quelle combinaison offre le meilleur équilibre en présence d’une rhéologie complexe.
La viscosité change dès l’induction de poudres
L’induction de poudres est souvent le moment où un liquide s’écoulant correctement se transforme en une suspension, une solution ou un gel difficile à mélanger. Le rapport local entre la poudre et le liquide peut être beaucoup plus élevé à la surface que dans la masse, ce qui entraîne la formation d’une enveloppe visqueuse autour de noyaux de poudre sèche. Ces agglomérats deviennent ensuite de plus en plus difficiles à mouiller.
- Établissez d’abord une circulation stable du liquide. Sans circulation complète dans la cuve, la poudre ajoutée n’atteint qu’une partie limitée du liquide.
- Dosez la poudre en fonction de la capacité de mouillage disponible. Une alimentation trop rapide provoque une surcharge locale, des îlots flottants ou la formation de poussière.
- Rendez chaque particule accessible à la phase liquide. Un renouvellement suffisant de la surface et une contrainte de cisaillement adéquate rompent la couche d’air entourant les poudres difficiles à mouiller.
- Rompez les agglomérats formés avant que la viscosité n’augmente davantage. À mesure que l’hydratation ou la dissolution progresse, la sollicitation nécessaire à la désagrégation des grumeaux augmente généralement.
- Laissez au produit le temps nécessaire à la dissolution, à l’hydratation ou à la constitution de sa structure. Une apparence homogène immédiatement après le dosage ne signifie pas automatiquement que le produit fini est rhéologiquement stable.
L’induction de poudres en ligne peut limiter la poussière et les couches de poudre flottantes, car la poudre est directement incorporée dans un flux liquide. Cette technique ne convient toutefois pas à toutes les poudres : les formulations réagissant très rapidement, gonflant fortement ou difficiles à pomper peuvent bloquer la zone d’induction lorsque le dosage, le débit de liquide et la séquence du procédé ne sont pas coordonnés. Les mécanismes de l’induction de poudres en ligne doivent donc être évalués conjointement avec l’évolution de la viscosité.
Choix de la machine pour les hautes et basses viscosités
Une installation de mélange adaptée est sélectionnée en fonction de la phase la plus exigeante du procédé et du traitement requis, et non en fonction du nom du produit. « Crème », « sauce » ou « revêtement » ne fournissent pas suffisamment d’informations, car les formulations d’un même groupe de produits peuvent présenter de fortes différences en matière de seuil d’écoulement, de thixotropie, de comportement des particules et de sensibilité à la température. Les critères suivants orientent le choix.
- Le mélangeur doit générer une circulation suffisante de la masse à la viscosité apparente pertinente la plus élevée.
- La contrainte de cisaillement locale doit convenir à la dissolution, à la dispersion ou à l’émulsification sans endommager inutilement les structures sensibles.
- Le trajet d’écoulement doit renouveler efficacement le produit au niveau de la paroi, du fond, de la surface du liquide et des éventuelles zones de chauffage ou de refroidissement.
- Les pompes et les tuyauteries doivent pouvoir transporter le produit vers une machine en ligne et le ramener à la cuve dans toutes les conditions du procédé.
- L’installation doit maîtriser l’entraînement d’air, la formation de mousse et l’émission de poussière à l’endroit où ces phénomènes apparaissent.
- La nettoyabilité et les pertes de produit doivent être évaluées à la viscosité finale, car les résidus visqueux sont difficiles à éliminer des conduites, des vannes et des espaces morts.
Le traitement par lots et le traitement en ligne remplissent des fonctions différentes
Le mélange par lots assure un traitement direct dans la cuve et convient lorsque l’ordre de la formulation, le temps de séjour et le contrôle de chaque charge sont essentiels. Le traitement en ligne fait passer le produit à travers une zone de mélange délimitée et peut ainsi fournir un cisaillement local reproductible. En recirculation, le nombre de passages effectifs et la circulation dans la cuve déterminent l’uniformité du traitement de la totalité du lot.
Le traitement en ligne n’est pas automatiquement plus rapide ou meilleur à haute viscosité. Si le produit ne s’écoule pas correctement vers la machine en ligne, la capacité théorique n’est pas exploitée et le traitement peut devenir instable. Une comparaison entre la dispersion en ligne et par lots doit donc également inclure l’aptitude au pompage, les pertes de charge dans les conduites, la distribution des temps de séjour et le nettoyage.
Dans la pratique, la fonction du procédé peut être répartie entre la circulation dans la cuve, l’induction contrôlée de poudres et une dispersion ciblée. Un mélangeur à jet favorise le mouvement de la masse pour différentes viscosités, une machine de dissolution de poudres en ligne associe l’induction au mouillage et une machine de dispersion en ligne fournit un cisaillement reproductible dans une conduite ou une boucle de recirculation.
La machine adaptée à votre procédé
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RMZ Machine de dispersion en ligneAssure la dispersion directement dans la conduite ou par recirculation. Obtention rapide et reproductible d’émulsions et de suspensions.Découvrez la RMZ›Une installation combinée n’est pertinente que si chaque machine remplit une fonction démontrable dans le procédé. Des équipements supplémentaires augmentent également la complexité de la commande, du nettoyage et de la maintenance. Un essai produit peut montrer si un seul principe de mélange suffit ou si des fonctions séparées sont réellement nécessaires.
Le changement d’échelle exige plus que le même temps de mélange
Un essai en laboratoire ne peut pas être transposé à une plus grande échelle en conservant uniquement le même temps de mélange. Dans une cuve plus grande, les distances sur lesquelles le produit doit circuler, le rapport entre l’organe de mélange et la cuve, le transfert thermique et la distribution des temps de séjour changent. À haute viscosité en particulier, un déplacement insuffisant de la masse ne devient souvent visible qu’à l’échelle de production.
Une même vitesse périphérique ne garantit pas non plus un résultat identique. La vitesse périphérique influence le cisaillement local, tandis que le temps d’homogénéisation, la puissance absorbée, le couple et la capacité de pompage décrivent d’autres aspects du procédé. Lors du changement d’échelle, il faut déterminer quel paramètre est réellement déterminant pour la qualité du produit : rupture des agglomérats, formation de gouttelettes, stabilité de la suspension, dissolution ou homogénéité globale dans la cuve.
Un essai représentatif utilise les mêmes matières premières, le même ordre de dosage et le même profil de température pertinent que la production finale. Mesurez non seulement la viscosité finale, mais aussi l’évolution du couple, le temps nécessaire au mouillage complet, l’entraînement d’air, l’évolution de la température et la reproductibilité. RS Contracting peut réaliser ces essais à Coevorden ou sur site ; une première piste de solution peut également être explorée à l’aide du configurateur de machines pour procédés de mélange.
Les écarts de procédé indiquent souvent un problème d’écoulement, et non de puissance
Les problèmes liés aux hautes et basses viscosités sont souvent attribués à tort à une puissance moteur insuffisante. Une puissance supérieure n’est utile que si l’organe de mélange transforme cette énergie en l’écoulement de masse ou en la contrainte de cisaillement nécessaires. Une position de montage défavorable, un ordre de procédé incorrect ou une alimentation insuffisante en produit subsistent même avec un entraînement plus puissant.
| Observation | Cause probable | Intervention logique |
|---|---|---|
| Tourbillon rapide, mais différences de concentration dans la cuve | Rotation horizontale conjointe sans échange axial suffisant. | Adaptez la direction d’écoulement, la position de montage ou la géométrie de la cuve avant d’augmenter la vitesse. |
| Grumeaux après l’ajout de poudre | Surdosage local et mouillage de la seule partie extérieure de l’agglomérat. | Adaptez le dosage à la circulation et à la capacité de mouillage. |
| La viscosité varie selon le point de prélèvement | Circulation incomplète dans la cuve, écarts de température ou hydratation toujours en cours. | Contrôlez plusieurs points de prélèvement et accordez au produit le temps de conditionnement requis. |
| La machine en ligne aspire le produit de manière irrégulière | Alimentation insuffisante, inclusion d’air ou résistance excessive des conduites. | Évaluez la pompe, la conduite d’aspiration, les vannes et le seuil d’écoulement comme un seul système. |
| Le produit devient plus fluide pendant le mélange, puis s’épaissit à nouveau | Thixotropie ou dégradation temporaire de la structure sous l’effet du cisaillement. | Consignez le moment de mesure, le temps de repos et l’historique de cisaillement dans la méthode de contrôle qualité. |
Le nettoyage et la sécurité évoluent avec la viscosité
Une installation qui mélange correctement un produit n’est pas automatiquement facile à nettoyer à cette même viscosité. Les résidus de produit visqueux adhèrent aux parois, restent dans les dérivations et sont moins facilement entraînés par le flux de nettoyage pendant le CIP. La conception hygiénique exige donc des conduites auto-vidangeables, des surfaces accessibles et l’évitement des espaces morts, en fonction du produit et du régime de nettoyage.
À faible viscosité, un liquide de nettoyage peut facilement traverser une conduite sans exercer une sollicitation suffisante sur la paroi ; à haute viscosité, une étape préalable de déplacement du produit ou de prérinçage peut être nécessaire. Pour les applications alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques, EHEDG, 3-A Sanitary Standards, GMP et EU GMP Annex 1 peuvent constituer des cadres de conception pertinents, selon le procédé et le marché. Ces cadres ne remplacent pas une analyse des risques propre au produit ni la validation du nettoyage.
Lors du dosage de poudres, le risque d’explosion doit également être évalué. La formation de poussière, les sources d’inflammation et la classification des zones déterminent si l’équipement doit être réalisé conformément à la directive ATEX 2014/34/EU. Un système d’induction fermé peut limiter les émissions de poussière, mais ne rend pas superflue une évaluation ATEX.
Questions fréquentes sur la viscosité lors du mélange
Un produit à haute viscosité est-il toujours plus difficile à mélanger ?
Un produit très visqueux n’est pas automatiquement plus difficile à mélanger, mais il exige généralement davantage d’attention concernant le déplacement de la masse, le couple et les zones mortes. Un produit rhéofluidifiant peut bien circuler sous sollicitation, tandis qu’un produit fluide peut au contraire devenir difficile à homogénéiser en raison d’un profil d’écoulement défavorable. Le comportement rhéologique complet est donc plus important que la seule viscosité au repos.
Quel mélangeur convient à une faible viscosité ?
Pour une faible viscosité, il faut généralement un mélangeur qui crée une boucle de circulation contrôlée dans toute la cuve sans vortex ni entraînement d’air excessifs. Si seuls deux liquides miscibles sont homogénéisés, la circulation de la masse peut suffire. Pour les émulsions, la rupture des agglomérats ou les dispersions fines, un cisaillement rotor-stator supplémentaire peut être nécessaire.
Quel mélangeur convient à une haute viscosité ?
Pour une haute viscosité, le mélangeur doit fournir à la fois un couple suffisant et un déplacement efficace du produit. Le choix peut porter sur un jet propulsif, un disperseur par lots, un système en ligne avec une alimentation adaptée ou une combinaison de ces éléments. La configuration appropriée dépend du seuil d’écoulement, de la rhéofluidification, de la charge en particules, de la géométrie de la cuve et de la structure finale souhaitée.
Pourquoi mon produit devient-il plus fluide pendant le mélange ?
Un produit qui devient plus fluide pendant le mélange présente souvent un comportement rhéofluidifiant ou thixotrope. Le cisaillement appliqué dégrade temporairement une structure interne, ce qui réduit la viscosité apparente. Après une période de repos, cette structure peut se reconstituer partiellement ou complètement. Une augmentation de la température peut simultanément contribuer à la fluidification mesurée.
Puis-je choisir un mélangeur sur la base d’une seule mesure de viscosité ?
Une seule mesure de viscosité est généralement insuffisante pour choisir une machine, sauf s’il est démontré que le produit est newtonien et qu’il est traité dans des conditions pratiquement constantes. Pour les formulations complexes, des mesures sur les taux de cisaillement, les températures et les temps de repos pertinents sont nécessaires. Intégrez également à l’évaluation le déroulement du procédé, l’ordre de dosage, la géométrie de la cuve et la qualité de produit souhaitée.
Quand un rotor-stator n’est-il pas la bonne solution ?
Un rotor-stator n’est pas la bonne solution lorsque seule une circulation douce de la masse est nécessaire, lorsque des structures sensibles sont endommagées par un cisaillement local élevé ou lorsqu’un produit visqueux n’atteint pas suffisamment la tête de mélange. Dans ces situations, un autre organe de mélange ou une combinaison avec une circulation active dans la cuve peut être techniquement plus approprié et plus simple.
Une analyse correcte de la viscosité évite de choisir la mauvaise machine
Une bonne conception du mélange commence par l’évolution de la viscosité pendant la totalité du procédé, et non par une seule valeur finale. Consignez à quel moment le produit s’épaissit ou se fluidifie, quel cisaillement est nécessaire, comment les poudres sont ajoutées, où l’air peut pénétrer et quelles zones de la cuve doivent être renouvelées. Cela permet de déterminer si la tâche principale consiste à faire circuler, dissoudre, disperser, émulsionner ou à combiner ces opérations.
Pour les liquides newtoniens simples, un calcul reposant sur des données produit connues peut fournir une orientation suffisante. En présence de thixotropie, d’un seuil d’écoulement, d’une forte hydratation ou d’une structure d’émulsion critique, un essai avec la formulation réelle est plus fiable. L’installation est ainsi choisie sur la base d’un comportement démontré du procédé plutôt que sur l’hypothèse selon laquelle un produit « fluide » est facile à mélanger et qu’un produit « épais » doit uniquement être mélangé avec force
