Broyage à température contrôlée, cryobroyage et inertage: le trio gagnant pour une installation performante

Trois applications utilisant les gaz industriels sont clés pour la performance de votre installation de broyage: le contrôle de la température du produit à broyer, le broyage à très basse température (ou cryobroyage) et l’inertage.

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Ces techniques suppriment une grande partie des inconvénients ou problèmes classiques rencontrés dans l’industrie lors du broyage d’un produit que sont la productivité, la qualité et la sécurité.
Cet article décrit les atouts des gaz industriels pour un broyage performant.

Les atouts de l’inertage à l’azote avant, pendant et après le broyage

L’inertage consiste à substituer l’atmosphère constituée d’air par un gaz inerte (azote, dioxyde de carbone …).
On distingue deux types de procédés d’inertage qui ont des objectifs différents mais qui peuvent se combiner dans les procédés de broyage.

1. L’inertage dit de qualité

C'est l’utilisation d’un gaz inerte, azote (N₂) ou dioxyde de carbone (CO₂) pour éliminer l’humidité et l’oxygène (O₂) de l’air, présents autour du produit dans le but d’en limiter les oxydations.

2. L’inertage dit de sécurité

Il consiste à utiliser un gaz inerte pour supprimer une atmosphère explosive ou chimiquement réactive. En descendant en dessous de la concentration minimale d’oxygène, on supprime le risque d’inflammation ou d’explosion.

L’inertage peut être utilisé à différentes étapes de production de poudre par broyage, et donc pas seulement dans l’équipement de broyage lui-même mais aussi lors du stockage des matières premières en amont du broyeur et en aval de celui-ci lors des transferts des poudres et/ou de leur conditionnement.

L’inertage permet de conserver parfaitement le produit réduit en poudre, ses principes actifs, tout en évitant tout risque d’inflammation ou d'explosion.

L’azote gazeux nécessaire à l’inertage est naturellement présent dans les opérations de broyage. En effet, lors de son changement d’état, l’azote va libérer plus de 600 litres de gaz détendu (à 15°C sous 1 bar de pression).

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Les avantages du broyage à température contrôlée et du cryobroyage

L'azote liquide est un fluide cryogénique liquide à -196°C stockant des quantités importantes de frigories: 1 litre d’azote liquide libère 80 kcalories en moyenne.
Il permet d’atteindre des températures très basses (ex: jusqu’à -150°C) qui compensent l’énergie dissipée dans le broyeur et/ou fragilisent les produits à broyer.

Broyage à température contrôlée

La majorité de l’énergie mise en jeu pour le broyage est transformée en chaleur via le moteur (près de 97% ). On appelle broyage “à température contrôlée” la simple compensation de l’apport de chaleur dissipée dans le broyeur par injection d’un fluide cryogénique. Cette méthode a des atouts essentiels:

En terme de productivité :
En supprimant à l'aide de la cryogénie l’échauffement excessif lors du broyage

on évite le colmatage des filtres, la prise en masse du produit qui peut arrêter la production,
on permet ainsi un nettoyage plus facile de l’équipement,
l'écoulement des poudres est constant et, l’échauffement étant supprimé, cela permet d’augmenter très significativement le débit de production du broyeur.

En termes de qualité :
Les matériaux sensibles à la chaleur ne sont pas endommagés.
La granulométrie des particules obtenues est plus fine et homogène. Elle offre aussi une meilleure reproductibilité dans le temps car le principe de contrôle cryogénique permet de rester indépendant de la température extérieure ou de la température initiale du produit.

Broyage à basse température ou cryobroyage

Le procédé de cryobroyage ou broyage à basse température consiste à pré-refroidir le produit introduit dans le broyeur :

en dessous de sa température de fragilisation (classique pour les matières plastiques, caoutchouc…),
ou en dessous d’une température qui permet de conserver la qualité du produit broyé.

Il est utilisé dans de nombreux secteurs industriels comme les plastiques, élastomères, matériaux à recycler, plantes et produits phytosanitaires, produits alimentaires ou pharmaceutiques…

Le cryobroyage permet d’élargir la gamme des substances qui peuvent être broyées et de préserver les arômes et les principes actifs.

A noter que les produits contenant des valeurs importantes en eau, huile et graisses sont maintenus dans un état cristallin au cours du procédé et ne peuvent migrer à l'intérieur de la masse lors du broyage.

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Comment intégrer les fluides cryogéniques sur les installations de broyage?

A - Cas du broyage à température contrôlée

Pour le broyage à température contrôlée, l’injection d’azote liquide est réalisée à l’intérieur du broyeur par un injecteur monté au niveau de l’admission de la matière à broyer. On y associe une boucle de régulation basée sur la température du produit en sortie broyeur.
Dans la plupart des cas, le système se monte directement sur un équipement existant (attention toutefois à la gestion de la compatibilité des matériaux, constituants l’équipement, fragiles à basse température).

D’autres solutions d’apport de froid pour contrôler la température dans un broyeur existent (air refroidi, échangeur à eau…). Ce n'est pas le cas pour le cryobroyage où les températures ne sont possiblement atteignables qu’en cryogénie. Cependant, seule, la solution cryogénique allie :

une large puissance de froid disponible ainsi qu’une flexibilité pour ajuster cette puissance aux contraintes de production,
un investissement, des coûts de maintenance et d’équipement très faibles. L’essentiel du coût du système en cryogénie est basé sur le coût de la molécule et donc parfaitement maîtrisable.

B - Cas du cryobroyage

Dans le cas du cryobroyage, l’injection d’azote liquide peut se faire à différents points du process. Il est en effet toujours nécessaire de pré-refroidir le produit à la température de fragilisation avant son introduction dans le broyeur.
Pour assurer ce pré-refroidissement, plusieurs dispositifs ont été mis au point: trémie, vis d’archimède ou autres.
Le choix du dispositif dépend des caractéristiques d’écoulement du produit traité, de la place disponible, de la hauteur…

Cette température devra ensuite être maintenue dans l’équipement de broyage par des injections cryogéniques complémentaires.

Air Liquide a développé sur cette partie des solutions innovantes brevetées réduisant significativement la consommation de fluide cryogénique.

A cela s'ajoute l'avantage induit d'inertage des gaz industriels utilisés.