Appréhender la technologie d'appareillage des procédés (partie 1/3)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Décrire le principe de fonctionnement des mélangeurs par agitation et par turbulence, ainsi que leur utilité dans les procédés industriels. - Réaliser une activité d’intégration permettant de mettre en œuvre un mélangeur simple et d’en analyser les performances. - Identifier les différents types de transporteurs de fluides et de solides, expliquer leur principe de fonctionnement et choisir le dispositif adapté à une situation donnée. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène liées à l’utilisation de ces appareils dans un contexte professionnel camerounais. **Prérequis :** - Notions de base en mécanique des fluides (viscosité, débit, nombre de Reynolds). - Connaissances en électrotechnique de base (moteurs électriques, variateurs de fréquence). - Savoir lire un schéma de procédé simple (P&ID). --- ## Introduction contextualisée Dans les industries agro‑alimentaires, chimiques ou minières du Cameroun, la bonne mise en mélange des matières premières et le transport efficace des fluides ou des solides sont des étapes critiques qui influencent la qualité du produit final, la consommation d’énergie et la sécurité des opérateurs. Un mélangeur mal choisi peut entraîner des hétérogénéités de composition, tandis qu’un transporteur inadapté provoque des bouchons, des usures prématurées ou des risques de débordement. Ce chapitre présente donc les familles d’appareils les plus répandues dans les ateliers camerounais (mélangeurs à agitation, mélangeurs turbulents, transporteurs à vis, à bande, à godets et pneumatiques) et montre comment les dimensionner, les mettre en service et les maintenir conformément aux normes de sécurité en vigueur (Arrêté n° 001/MINTP du 12 janvier 2018 relatif à la prévention des risques mécaniques). --- ## I. Mélangeurs par agitation et par turbulence ### A. Principe de fonctionnement Un mélangeur par agitation crée un mouvement mécanique du fluide grâce à un organe rotatif (pale, turbine, hélice) entraîné par un moteur. Le fluide subit des contraintes de cisaillement qui favorisent la dispersion des phases. Le nombre de Reynolds (Re) caractérise le régime d’écoulement : \[ \text{Re}= \frac{\rho\, N\, D^{2}}{\mu} \] où ρ = masse volumique (kg m⁻³), N = vitesse de rotation (tr s⁻¹), D = diamètre de l’agitateur (m), μ = viscosité dynamique (Pa·s). - **Laminar (Re < 2000)** : mélange principalement par diffusion moléculaire, adapté aux fluides très visqueux (sirop, colle). - **Transitoire (2000 ≤ Re ≤ 10 000)** : apparition de tourbillons, amélioration du mélange. - **Turbulent (Re > 10 000)** : mélange intense par eddies, adapté aux faibles viscosités (eau, solvants). > **Le nombre de Reynolds permet de prédire le régime d’écoulement et donc le type d’agitateur à choisir.** ### B. Types d’agitateurs et leurs utilités | Type d’agitateur | Forme | Plage de Re typique | Applications camerounaises | |------------------|-------|---------------------|----------------------------| | Pale plate | Plate, inclinée 45° | 500‑5 000 | Mélange de pâtes de manioc, de farine de maïs | | Turbine à disques | Disques perpendiculaires à l’arbre | 2 000‑15 000 | Emulsification d’huiles végétales, préparation de sauces | | Hélice axiale | Hélice à pas variable | 10 000‑50 000 | Dissolution de sucre dans les boissons gazeuses | | Ancre | Forme en U proche des parois | < 1 000 | Mélange de boues dans les stations d’épuration de Yaoundé | ### C. Règles de sécurité et d’hygiène - Vérifier l’étanchéité du joint d’arbre avant chaque mise en route (fuites pouvant contaminer le produit). - Installer un dispositif d’arrêt d’urgence (bouton rouge) accessible à moins de 1,5 m du poste de commande. - Nettoyer les aubes après chaque lot selon la procédure de nettoyage en place (NEP) avec une solution de NaOH 0,5 % suivie d’un rinçage à l’eau potable (norme NF EN 1672‑2). ### D. Exemple de dimensionnement (exercice résolu) **Données :** Mélange d’un sirop de glucose (ρ = 1 300 kg m⁻³, μ = 0,02 Pa·s) dans une cuve cylindrique de diamètre 0,8 m, hauteur 1,2 m. On souhaite atteindre Re = 5 000 avec une turbine à disques (facteur de puissance Kp ≈ 5,0). **Calcul de la vitesse de rotation N :** \[ N = \frac{\text{Re}\,\mu}{\rho D^{2}} = \frac{5\,000 \times 0,02}{1\,300 \times 0,8^{2}} \approx 0,12\; \text{tr s}^{-1} \;(≈7,2\; \text{tr min}^{-1}) \] **Puissance nécessaire :** \[ P = Kp \,\rho N^{3} D^{5}= 5,0 \times 1\,300 \times (0,12)^{3} \times 0,8^{5}\approx 3,7\; \text{kW} \] On choisira donc un moteur de 4 kW avec un variateur de fréquence pour ajuster N selon la viscosité du produit. > **La puissance d’un mélangeur varie avec le cube de la vitesse de rotation et la cinquième puissance du diamètre de l’agitateur.** --- ## II. Intégration activités ### A. Objectif de l’activité Réaliser, en atelier, un mélangeur à pale simple destiné à homogénéiser une suspension de farine de maïs dans de l’eau (pré‑préparation du *fufu*). L’activité permet de mettre en pratique le calcul du nombre de Reynolds, le choix de l’agitateur et le contrôle de la qualité du mélange (mesure de la turbidité). ### B. Matériel nécessaire - Cuve en acier inoxydable, volume 20 L, diamètre 0,30 m. - Moteur asynchrone 0,25 kW, variateur de fréquence 0‑50 Hz. - Pale plate inclinée 45°, diamètre 0,15 m, fixé sur arbre Ø12 mm. - Capteur de turbidité (NTU) et thermomètre. - Équipement de protection individuelle (gants nitrile, lunettes de sécurité, chaussures de sécurité). ### C. Procédure pas à pas 1. **Montage** : Fixer la pale sur l’arbre, aligner l’arbre avec le centre de la cuve, serrer le joint mécanique. 2. **Mise en route** : Démarrer le moteur à 10 Hz (N≈5 tr s⁻¹ ≈300 tr min⁻¹), mesurer la turbidité initiale (≈150 NTU). 3. **Variation de vitesse** : Augmenter progressivement la fréquence jusqu’à 30 Hz (N≈15 tr s⁻¹ ≈900 tr min⁻¹) tout en notant la turbidité toutes les 30 s. 4. **Analyse** : Tracer la courbe turbidité = f(N) ; déterminer la vitesse à laquelle la turbidité se stabilise (< 20 NTU). 5. **Nettoyage** : Arrêter le moteur, démonter la pale, nettoyer à l’eau chaude + détergent alcalin, rincer, sécher. ### D. Résultats attendus et interprétation - À N≈5 tr s⁻¹ (Re≈6,8×10⁴) la turbidité chute rapidement sous 30 NTU, indiquant un régime turbulent déjà atteint à faible vitesse. - Au-delà de N≈10 tr s⁻¹ (Re≈1,3×10⁵), aucune amélioration significative de la turbidité : la consommation d’énergie augmente sans gain notable de mélange. > **L’activité montre qu’un réglage fin de la vitesse permet d’optimiser la consommation énergétique tout en atteignant l’homogénéité souhaitée.** ### E. Liens avec le programme Cette activité couvre les compétences : - C2.1 : Réaliser un schéma fonctionnel d’un appareil de procédé. - C3.2 : Mettre en service et régler un équipement de mélange. - C4.1 : Appliquer les règles d’hygiène et de sécurité lors de la manipulation de produits alimentaires. --- ## III. Transporteurs des fluides et des solides ### A. Classification générale | Mode de transport | Fluide | Solide | Exemple d’usage au Cameroun | |-------------------|--------|--------|-----------------------------| | Transporteur à vis (vis sans fin) | Oui (faible viscosité) | Oui (granulés, poudre) | Alimentation des broyeurs de manioc à Bafoussam | | Transporteur à bande | Oui (liquides légers) | Oui (produits en vrac) | Convoyage de sacs de cacao dans les plantations du Sud | | Transporteur à godets | Oui (fluides chargés) | Oui (matériaux abrasifs) | Élévation de minerai de fer dans les mines de Lomié | | Transporteur pneumatique | Oui (gaz) | Oui (poudres légères) | Transport de farine de blé dans les minoteries de Douala | | Pompe centrifuge | Oui (fluides) | Non | Refroidissement des réacteurs dans les usines de savon à Yaoundé | | Pompe à déplacement positif | Oui (fluides visqueux) | Non | Pompage de huile de palme brute dans les usines de Kribi | ### B. Principe de fonctionnement des transporteurs à vis Une vis hélicoïdale tournant dans un tube fermé pousse le matériau le long de l’axe. Le débit théorique Q (m³ s⁻¹) est donné par : \[ Q = \frac{\pi D^{2} S N}{4}\, \eta \] où D = diamètre extérieur de la vis (m), S = pas de la vis (m), N = vitesse de rotation (tr s⁻¹), η = coefficient de remplissage (0,4‑0,7 selon la matière). > **Le débit d’une vis sans fin est proportionnel au produit D²·S·N.** ### C. Transporteur à bande Une bande continue, soutenue par des rouleaux, se déplace sous l’action d’un moteur d’entraînement. La vitesse linéaire v (m s⁻¹) détermine le débit : \[ Q = b \, h \, v \, \rho \] avec b = largeur de la bande (m), h = épaisseur du matériau sur la bande (m), ρ = densité (kg m⁻³). ### D. Transporteur à godets Des godets fixés à une chaîne ou une courroie se remplissent au bas, se renversent en haut et déchargent le matériau. Le débit dépend du nombre de godets par mètre (n), du volume d’un godet (Vg) et de la vitesse de la chaîne (v) : \[ Q = n \, Vg \, v \] ### E. Transporteur pneumatique Un flux d’air sous pression (ou sous vide) transporte les particules dans une conduite. Le régime d’écoulement se caractérise par le nombre de Stokes (St) : \[ \text{St}= \frac{\rho_{p} d_{p}^{2} V}{18 \mu D} \] où ρp = densité de la particule, dp = diamètre particule, V = vitesse de l’air, μ = viscosité de l’air, D = diamètre du conduit. > **Un St < 1 indique une bonne suspension des particules.** ### F. Règles de sécurité et d’hygiène - **Vis sans fin** : installer des protections anti‑encoignure aux extrémités; vérifier l’absence de corps étrangers avant démarrage. - **Bande** : tendre la bande selon les préconisations du fabricant (souvent 1‑2 % de allongement) pour éviter le dérapage et les étincelles. - **Godets** : s’assurer que les godets sont bien verrouillés; contrôler l’usure des chaînes toutes les 500 h de fonctionnement. - **Pneumatique** : utiliser des filtres à l’entrée d’air pour éviter l’introduction de poussières pouvant provoquer des explosions (norme ATEX). - **Pompes** : prévoir un clapet anti‑retour et une vanne de décharge pour prévenir les surpressions. > **Toute intervention sur un transporteur en marche est strictement interdite ; arrêter et verrouiller l’énergie (consigne de consignation/étiquetage).** ### G. Exemple de dimensionnement d’une vis sans fin (exercice résolu) **Données :** Transport de granulés de manioc (ρ = 650 kg m⁻³) avec un débit requis Q = 0,015 m³ s⁻¹. Diamètre de la vis D = 0,12 m, pas S = 0,10 m, coefficient de remplissage η = 0,5. **Calcul de la vitesse de rotation N :** \[ N = \frac{4 Q}{\pi D^{2} S \eta}= \frac{4 \times 0,015}{\pi \times 0,12^{2} \times 0,10 \times 0,5}\approx 26,5\; \text{tr s}^{-1}\;(≈1590\; \text{tr min}^{-1}) \] **Puissance nécessaire (approximation)** : \[ P = \frac{\rho g Q H}{\eta_{m}} \] avec g = 9,81 m s⁻², H = hauteur de levée = 3 m, ηm = rendement moteur ≈ 0,7. \[ P = \frac{650 \times 9,81 \times 0,015 \times 3}{0,7}\approx 0,41\; \text{kW} \] On choisira donc un moteur de 0,55 kW avec un variateur pour ajuster N selon la variation de la charge. > **Le dimensionnement d’une vis sans fin nécessite de connaître le débit souhaité, la géométrie de la vis et le coefficient de remplissage lié au matériau transporté.** ### H. Tableau récapitulatif des transporteurs (formules clés) | Transporteur | Formule du débit | Variables principales | |--------------|------------------|-----------------------| | Vis sans fin | \( Q = \frac{\pi D^{2} S N}{4}\,\eta \) | D, S, N, η | | Bande | \( Q = b\,h\,v\,\rho \) | b, h, v, ρ | | Godets | \( Q = n\,V_{g}\,v \) | n, Vg, v | | Pneumatique (suspension) | \( \text{St}= \frac{\rho_{p} d_{p}^{2} V}{18 \mu D} \) | ρp, dp, V, μ, D | | Pompe centrifuge | \( Q = \frac{\pi D^{2} u}{4}\, \phi \) (u = vitesse périphérique, φ = coefficient de débit) | D, u, φ | --- ## Synthèse du chapitre - **Mélangeurs par agitation** : principe basé sur le nombre de Reynolds ; choix de l’agitateur selon Re (pale, turbine, hélice, ancre) ; puissance ∝ ρ N³ D⁵. - **Mélangeurs turbulents** : Re > 10 000 → mélange intense par tourbillons ; utilisé pour faibles viscosités. - **Activité d’intégration** : mise en œuvre d’un mélangeur à pale, suivi de la turbidité, optimisation de la vitesse pour économie d’énergie. - **Transporteurs de fluides** : pompes centrifuges (débit ∝ D² u) et à déplacement positif (pour fluides visqueux). - **Transporteurs de solides** : vis sans fin (Q ∝ D² S N η), bande (Q = b h v ρ), godets (Q = n Vg v), pneumatique (suspension via nombre de Stokes). - **Sécurité** : consignation/étiquetage, protections anti‑encoignure, nettoyage en place, contrôle des joints, filtres ATEX pour pneumatique. - **Formules clés** à retenir (voir encadrés >). --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Nombre de Reynolds (Re) | Nombre sans dimension caractérisant le régime d’écoulement d’un fluide (laminaire, transitoire, turbulent). | | Agitateur | Organe rotatif (pale, turbine, hélice, ancre) qui imparts un mouvement au fluide dans une cuve. | | Nombre de Stokes (St) | Rapport entre la force d’inertie d’une particule et la force de traînée visqueuse dans un flux gazeux ; indique la capacité de suspension. | | Coefficient de remplissage (η) | Fraction du volume de la vis effectivement occupée par le matériau transporté (0,4‑0,7). | | Consignation/étiquetage (Lock‑out/Tag‑out) | Procédure de mise en sécurité d’une machine en coupant ses sources d’énergie et en les verrouillant avant toute intervention. | | Nettoyage en place (NEP) | Méthode de nettoyage des équipements sans démontage, utilisant des solutions chimiques et des cycles de rinçage. | | Débit volumique (Q) | Volume de fluide ou de solide traversé par unité de temps (m³ s⁻¹). | | Pas de la vis (S) | Distance axiale entre deux filets consécutifs d’une vis hélicoïdale (m). | | Rendement moteur (ηm) | Rapport entre la puissance mécanique utile délivrée par le moteur et la puissance électrique consommée. | | Filtre ATEX | Dispositif retenant les particules susceptibles de créer une atmosphère explosive, conforme à la directive européenne ATEX. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un mélangeur à turbine **Énoncé :** On doit préparer une émulsion d’huile de palme (ρ = 910 kg m⁻³, μ = 0,035 Pa·s) dans une cuve de diamètre 0,6 m. On souhaite obtenir Re = 8 000 avec une turbine à disques (Kp = 5,0). Calculer la vitesse de rotation N (tr min⁻¹) et la puissance nécessaire P (kW). **Corrigé :** \[ N = \frac{Re\,\mu}{\rho D^{2}} = \frac{8\,000 \times 0,035}{910 \times 0,6^{2}} \approx 0,85\; \text{tr s}^{-1}=51\; \text{tr min}^{-1} \] \[ P = Kp \,\rho N^{3} D^{5}= 5,0 \times 910 \times (0,85)^{3} \times 0,6^{5}\approx 0,22\; \text{kW} \] On choisira un moteur de 0,25 kW avec variateur. ### Exercice 2 – Débit d’une vis sans fin pour transport de farine de maïs **Énoncé :** Une vis sans fin de diamètre 0,10 m, pas 0,08 m, coefficient de remplissage η = 0,55 doit transporter du maïs moulu (ρ = 600 kg m⁻³) à un débit de 0,010 m³ s⁻¹. Déterminer la vitesse de rotation N (tr min⁻¹). **Corrigé :** \[ N = \frac{4 Q}{\pi D^{2} S \eta}= \frac{4 \times 0,010}{\pi \times 0,10^{2} \times 0,08 \times 0,55}\approx 28,9\; \text{tr s}^{-1}=1736\; \text{tr min}^{-1} \] ### Exercice 3 – Choix d’un transporteur pour du cacao en fèves **Énoncé :** Une plantation doit déplacer 2 t h⁻¹ de fèves de cacao (ρ ≈ 600 kg m⁻³) sur une distance horizontale de 30 m avec une légère pente de 5 %. Quel type de transporteur serait le plus adapté et pourquoi ? **Corrigé :** Un transporteur à bande large (b ≈ 0,8 m) avec une épaisseur de charge h ≈ 0,05 m et une vitesse v ≈ 0,4 m s⁻¹ donne Q = b h v ρ ≈ 0,8 × 0,05 × 0,4 × 600 ≈ 9,6 kg s⁻¹ ≈ 34,5 t h⁻¹, largement suffisant. La bande supporte bien les charges granuleuses, nécessite peu d’entretien et permet un suivi visuel du produit. Une vis sans fin serait surdimensionnée et risquerait d’endommager les fèves. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Démarrer un mélangeur sans vérifier l’étanchéité du joint d’arbre | Fuites de produit, contamination, risque de glissement | Effectuer un test de pression à vide avant chaque mise en route ; remplacer le joint si usure > 0,2 mm. | | 2 | Surcharger une vis sans fin au-delà de son coefficient de remplissage recommandé | Bourrage, hausse de la consommation d’énergie, casse de la vis | Respecter η ≤ 0,7 ; installer un détecteur de couple pour arrêter la vis en cas de surcharge. | | 3 | Utiliser une bande transporteuse sans contrôle de tension | Dérapage, usure prématurée des rouleaux, génération d’étincelles (risque d’explosion en présence de poussières) | Mesurer la tension de la bande toutes les 8 h de fonctionnement ; ajuster selon les préconisations du fabricant (1‑2 % d’allongement). | | 4 | Ouvrir le couvercle d’un godet transporteur alors que la chaîne est en mouvement | Blessure par écrasement ou amputation | Appliquer la consignation/étiquetage : couper l’alimentation, verrouiller le dispositif, placer un cadenas avant toute intervention. | | 5 | Négliger le filtrage de l’air d’entrée d’un transporteur pneumatique en milieu poussiéreux | Accumulation de particules pouvant créer une atmosphère explosive (ATEX) | Installer un filtre à particules de classe P2 au niveau de l’aspiration ; contrôler le différentiel de pression toutes les 24 h. | | 6 | Utiliser une pompe centrifuge pour un fluide très visqueux sans pré‑chauffage | Cavitation, baisse du débit, surchauffe du moteur | Préchauffer le fluide pour réduire sa viscosité en dessous de 0,01 Pa·s ou choisir une pompe à déplacement positif adapté. | --- *Fin du cours.* *Ce document respecte les exigences du programme MINESEC/IGE pour la série F6, niveau Première, en Génie de Procédés, approche par compétences.*