Problème d'écoulement dans les silos et les trémies

Les silos et les trémies sont fréquemment obstrués s’ils ne sont pas conçus, installés ou exploités correctement. Quand cela se produit, les machinistes doivent se débrouiller avec leurs propres dispositifs. Ils interviennent habituellement avec des moyens manuels pour restaurer le flux en aval, comme en témoignent les marques de coups de marteau à la figure 1.

Compte tenu de ce contexte, il est important de comprendre plusieurs notions conceptuelles essentielles pour éviter de tels problèmes.

Problèmes d’écoulement typiques

Voici les problèmes d’écoulement les plus courants des silos mal conçus :

Cheminée étroite (rat hole)

Lors du déchargement du matériau, ce dernier ne s’écoule que par une cheminée étroite, et le reste demeure stagnant dans la trémie. Le matériau éboule depuis la surface supérieure dans le conduit d’écoulement. Dans certaines conditions de contrainte du matériau, une cheminée étroite stable se forme et le matériau cesse de s’écouler. Il arrive qu’une cheminée étroite s’effondre, et le matériau qui tombe impose des charges dynamiques sur le silo, ce qui peut entraîner une défaillance de la structure, l’obstruction de l’ouverture ou un débit irrégulier (voir la figure 2A).

Arche stable

Un autre problème peut se développer si le matériau est assez robuste : l’obstruction de la sortie de la trémie par la formation d’une arche stable (voir la figure 2B). La rupture manuelle de cette arche peut entraîner des dommages à la suite des charges dynamiques infligées à la trémie.

Ségrégation

Au cours du remplissage d’une trémie contenant des particules grossières et fines, il se produit une ségrégation naturelle des particules qui formeront une pile conique sur le dessus. Les particules fines s’accumulent au point de chargement (habituellement au centre de la trémie) tandis que les particules plus grossières roulent sur la pente de la pile conique vers les parois (voir la figure 2C). C’est ce qui s’appelle la ségrégation. Un silo bien conçu permet d’atténuer ce phénomène indésirable dans certains processus. Dans le cas d’un écoulement en cheminée, les particules fines qui se retrouvent au centre s’écoulent en premier par une cheminée centrale, suivies par l’éboulement des particules plus grossières dans la section extérieure. La distribution des différents formats de particules du matériau déversé est très variable.

Par contre, dans une trémie par écoulement en masse, le matériau ségrégé au remplissage se mélange de nouveau à la sortie lors du déchargement. Le régime d’écoulement fait en sorte que le matériau s’écoule de la trémie pour se déposer en couches horizontales uniformes dans la section transversale. Quand la couche en déplacement atteint la sortie, les particules fines et grossières sont « mélangées » de nouveau, ce qui réduit les effets de la ségrégation au cours du processus.

Débit limité et inondation : problèmes spécifiques aux poudres fines

En plus de la formation potentielle d’une cheminée étroite, les poudres (comme le ciment ou la farine) peuvent s’aérer en remplissant la trémie et, si le temps de rétention du silo est mal calculé et que le matériau n’est pas désaéré lorsqu’il atteint la sortie, il s’écoulera du silo de manière incontrôlable, comme de l’eau.

Il peut aussi arriver qu’une fois la poudre désaérée, le débit prévu ne se réalise pas, car la faible perméabilité du matériau empêche le débit d’air nécessaire d’entrer dans le volume des pores de la poudre, y créant un vide qui ralentit l’écoulement. Les trémies dont la conception a tenu compte de l’écoulement d’un matériau peuvent prévenir ces problèmes.

Exigences à prendre en compte dans la conception d’un silo

Consultez un concepteur de trémies chevronné

Avant de concevoir un silo, il est important de consulter un expert en conception de trémies pour éviter les embûches décrites ci-dessus. Un concepteur de trémies chevronné pour des matériaux semblables apporte des années de connaissances pertinentes dans chaque application et optimise la réussite.

Établissement des propriétés d’écoulement des matériaux

La minéralogie métallifère n’est pas la même partout. C’est aussi vrai pour l’écoulement des matériaux qui diffère de l’un à l’autre. Par conséquent, pour une application particulière, la seule façon de garantir qu’une trémie assurera un débit fiable au cours du processus est de la concevoir pour les propriétés de débit mesurées du matériau en fonction des conditions d’exploitation prévue. L’établissement des propriétés d’écoulement d’un matériau dans un laboratoire réputé est la première étape de la détermination des paramètres de conception appropriés pour obtenir un débit fiable pour l’application (p. ex., la géométrie de la trémie et les spécificités des plaques d’usure).

Les conditions physiques d’exploitation, comme le temps de repos du matériau, sa température et sa teneur en eau, doivent être établies correctement afin que les essais effectués soient représentatifs de l’opération de manutention dans la trémie.

Considérez la probabilité de variabilité des caractéristiques d’écoulement du matériau avec le temps en fonction de sa source d’origine. Il est important d’associer les échantillons de matériau et les composants représentatifs des essais pour produire un dessin approprié.

Sélection du régime d’écoulement

Un matériau dans une trémie s’écoule de trois façons :

• En masse (mass flow)
• En cheminée (funnel flow)
• Mixte (expanded flow)

Le choix dépend principalement des exigences d’exploitation et des propriétés d’écoulement du matériau.

Dans l’écoulement en masse, toutes les particules commencent à s’écouler dès que l’extracteur est mis en marche. Le régime d’écoulement en masse est recommandé lorsqu’un débit contrôlé est requis, qu’un mode d’exploitation PEPS (premier entré, premier sorti) est nécessaire, ou qu’une ségrégation doit être évitée. Généralement, l’écoulement en masse s’obtient lorsque les parois de la trémie sont assez lisses pour que le matériau y glisse, et que la sortie de la trémie est assez large pour éviter la formation d’une arche stable de matériau (la contrainte d’une arche potentielle est supérieure à la solidité du matériau).

Dans l’écoulement en cheminée, les parois de la trémie sont trop creuses ou rugueuses pour que le matériau puisse y glisser. Il se forme un canal par lequel le matériau s’écoule. Le régime d’écoulement en cheminée est recommandé lorsque le matériau s’écoule librement et ne présente pas de problèmes de dégradation ou de criblage. L’écoulement en cheminée produit un débit libre et est déconseillé dans beaucoup d’applications.

Dans le cas d’un écoulement mixte, la partie inférieure est conçue pour un écoulement en masse, tandis que la partie supérieure est conçue pour un écoulement en cheminée. Le régime à écoulement mixte est recommandé pour les silos et les verses de grand diamètre, pour lesquels un régime d’écoulement en masse d’un bout à l’autre est irréalisable à cause des contraintes de hauteur libre et des coûts en capital.

Conduit d’extraction

Une trémie bien conçue ne peut garantir un débit fiable à moins d’être équipée d’un conduit d’extraction bien conçu à sa sortie. En fait, une trémie d’écoulement en masse fonctionnera en écoulement en cheminée si le conduit est mal conçu.

Avantages d’une conception ingénieuse

Une trémie bien conçue peut procurer les avantages suivants :

• Contrôle fiable et prévisible du débit.
• Préservation des matériaux périssables.
• Atténuation du risque de combustion spontanée lors de la manipulation de matériaux autochauffants, comme certains types de charbon et de produits alimentaires.
• Sécurité structurelle de la trémie.
• Réduction de l’usure.
• Réduction de la corrosion.
• Prévention d’arrêts imprévus et de perte de production.
• Démarrages en douceur.
• Prévention de rénovations coûteuses après la construction.

Pour conclure

Les silos et les trémies sont d’importants composants dans la manipulation des matériaux, quels qu’ils soient. Les différents régimes d’écoulement et les pressions de débit de matériau sont complexes. Un débit fiable ne peut s’obtenir que si la trémie est conçue par des concepteurs chevronnés. Les concepteurs de trémies chevronnés de BBA ont produit de nombreux silos pour toutes sortes de solides en vrac complexes partout dans le monde. Faites appel à nos concepteurs de trémie chevronnés pour votre application complexe. Ils peuvent vous aider à obtenir un système d’écoulement fiable et prévisible, toujours disponible au besoin.

Pour toute question ou pour en savoir plus sur ce sujet, n’hésitez pas à communiquer avec nous.