Peser le pour et le contre du transport pneumatique et mécanique des matières solides en vrac

ÉTUDES DE CAS

Peser le pour et le contre du transport pneumatique et mécanique des matières solides en vrac

Par: David Boger, Vice President, Global Business Development and Marketing
Allen Powell, Regional Applications Engineer
Paul Sattler, Senior Technical Applications Engineer
Flexicon Corporation

Le choix entre le transport pneumatique en phase diluée, le transport par câble tubulaire et le transport par vis flexible n'est pas toujours clair.

Lorsqu’il s’agit de choisir un système de transport, tout le monde utilise ses propres règles - basées sur les caractéristiques des matières en vrac, les débits et les distances, les sources et les destinations, les configurations des installations et d'autres variables. Mais ceux qui ont de l'expérience dans tous les types de systèmes comprendront que la seule règle pour choisir une technologie de convoyage est qu'il n'y en a pas de pré-établie.

Le fait est que la plupart des matériaux peuvent être transportés en utilisant plusieurs méthodes différentes. Personne ne peut dire avec certitude, par exemple, que le transport pneumatique en surpression est toujours le meilleur choix pour le transport de matériaux à haute température, ou qu'un convoyeur tubulaire à câble est la seule solution pour la manutention de matériaux fragiles ou friables. La sélection finale se résume à équilibrer les avantages et les inconvénients de chaque type de système pour l'application en question, avec toutes ses variables. Cela dit, les lignes directrices suivantes vous aideront à choisir la meilleure méthode pour transporter différents types de produits solides en vrac.

La première règle

La première règle est la suivante: demandez aux experts. Bien que les techniques de transport aient beaucoup évolué au cours des dernières décennies, il est encore tout un art de choisir le meilleur système et de le concevoir en fonction des besoins individuels. L'analyse finale exige une compréhension approfondie du matériau et du processus par rapport aux caractéristiques et aux limites de chaque technologie de convoyage. Consultez un spécialiste qui n'a pas d'intérêt direct à vendre un seul type d'équipement. Un expert évaluera chaque paramètre et recommandera la meilleure solution technique pour chaque applicatif.

Un complément à la première règle est: testez avant d'acheter. Les essais permettront de s'assurer que le système préconisé transportera effectivement le matériau en question à la distance requise sans dégradation ou modification indésirable des caractéristiques du produit. Une installation d'essai entièrement équipée doit être dotée de systèmes grandeur nature faciles à reconfigurer, ainsi qu'une gamme complète d'accessoires et d'équipements périphériques (Figure 1). Elle doit contenir de l'équipement pneumatique et mécanique de manutention de vrac afin de produire une recommandation objective basée sur le matériel à transporter. En vérifiant les performances avant la fabrication, il est possible d'éviter des erreurs de jugement et des retards coûteux lors de l'installation et de la mise en service du système.

Comparaison des équipements

Un convoyeur à vis flexible (Figure 2), également connu sous le nom de convoyeur à spirale, convoyeur hélicoïdal ou convoyeur à vis sans axe, consiste en une vis flexible contenue dans un tube flexible ou rigide qui est entraîné par un moteur électrique. Les matériaux de construction sont définis en fonction de l'application, la vis étant fabriquée en acier carbone ou en acier inoxydable, et le tube extérieur étant en polypropylène ou en acier. Il s'agit d'une conception relativement simple, et généralement le choix le plus économique, avec des performances efficaces, une grande fiabilité et de faibles coûts d'investissement et d'exploitation. Lorsqu'il est correctement conçu et testé, il offrira d'excellentes performances pour un large éventail d'applications. Il existe également des systèmes spécialement conçus pour transporter des matériaux difficiles à manipuler qui ont tendance à s'emmagasiner, se coller ou fluidifier, ainsi que des matériaux fragiles ou cassants susceptibles de se fragmenter ou de s'émietter.

Les convoyeurs pneumatiques (Figure 3) sont généralement conçus sur mesure pour chaque application et répondent à un large éventail d'exigences. Ils déplacent les matières en vrac qui sont suspendues dans un courant gazeux (le plus souvent de l'air, mais parfois un gaz inerte) introduit soit par une soufflante à pression positive, en amont des points d'admission du produit, soit par une pompe à vide, en aval des points de sortie du produit. Le produit est séparé du flux gazeux en bout de ligne par des collecteurs filtrants ou des séparateurs cycloniques ou est envoyé directement dans des cuves process. Ces systèmes, qui peuvent être plus complexes que les convoyeurs mécaniques, sont intégrés à des chaînes de production ou de traitement et manipulent tous types de produits avec le même équipement. Le transport pneumatique par surpression est généralement utilisé pour transporter des matériaux d'une source unique vers une ou plusieurs destinations, sur des distances relativement plus longues et avec une plus grande capacité que les systèmes par aspirations avec les mêmes diamètres de tubulures. Les systèmes à vide facilitent le déchargement des matériaux à partir de conteneurs ouverts à l'aide de cannes, ce qui les rend mieux adaptés au transport de matériaux provenant de sources multiples comme les réservoirs de stockage, les équipements de traitement et les wagons vers une ou plusieurs destinations

Les convoyeurs à câble tubulaire (Figure 4), aussi connus sous le nom de convoyeurs à disques, sont constitués de disques en polymère à faible frottement fixés sur un câble en acier. Les disques et le câble sont entraînés par une roue à une extrémité du circuit, tandis qu'une deuxième roue maintient la tension du câble à l'autre. L'ensemble du circuit est encapsulé à l'intérieur d'un tube d'acier. Les convoyeurs à câbles tubulaires déplacent les matières solides en vrac à des vitesses relativement lentes à travers ce tube dans l'espace entre les disques. Véritable système «modulaire», les convoyeurs tubulaires à câbles peuvent avoir plusieurs entrées et sorties (qui peuvent être ajoutées ou déplacées). Le tracé du convoyeur peut être horizontal ou vertical ou à presque n'importe quel angle. Avec des diamètres extérieurs de seulement 10 cm, les convoyeurs à câbles tubulaires peuvent passer par de petites ouvertures dans les murs ou les plafonds.

Choisir un système

Les facteurs à évaluer lors du choix d'un type de système de convoyage sont les suivants:

Caractéristiques des matériaux

Sources et destinations des matériaux

Paramètres de convoyage

Conditions de l’installation

Economies

Variables Process & Produits	Convoyeur � vis flexible	Convoyeur pneumatique en phase dilu�e		Convoyeurs � c�ble tubulaire
Variables Process & Produits	Convoyeur � vis flexible	Surpression	Vide	Convoyeurs � c�ble tubulaire
CARACTÉRISTIQUES DES MATÉRIAUX
Particules ultrafines	X
Fragile ou friable	X			X
Humide, agglomérant, agglutinant	X
Teneur élevée en matières grasses ou en huile	X
Matériaux mélangés	X			X
Sensible à la chaleur	X		X
Température élevée	X	X
Sensible à la contamination	X	X	X	X
Dangereux	X		X	X
SOURCE ET DESTINATION DES MATERIAUX
Sources multiples		X	X	X
Destinations multiples	X	X	X	X
Convoyage direct à partir de sacs ou de fûts			X
Alimentation par/d'équipement de process	X	X	X	X
Destination à très haute température		X
PARAMÈTRES DE CONVOYAGE
Faibles volumes	X	X	X	X
Volumes élevés		X	X	X
Faibles distances	X		X	X
Longues distances		X	X	X
Unités mobiles	X		X
Même équipement pour divers produits		X	X
Facilité de nettoyage	X			X
CONDITIONS DE L'INSTALLATION
Flexibilité de convoyage	X			X
Acheminement indirect requis		X	X	X
Convoyage en biais	X			X
Virage à angle droit requis		X	X	X
ECONOMIES
Coût initial le plus bas	X
Consommation d'énergie la plus faible	X			X
Coûts d'exploitation les plus bas	X
Grandes capacités, longues distances		X	X	X

Tableau 1. Paramètres pour différents types de convoyeurs

Caractéristiques des matériaux

Les facteurs les plus importants à prendre en considération sont les propriétés du matériau à transporter, notamment la densité apparente, les propriétés d'écoulement, la température, la teneur en humidité, les dangers inhérents et le degré admissible de dégradation. Les convoyeurs pneumatiques et mécaniques peuvent manipuler une large gamme de produits, des poudres fines aux grosses particules. Les deux types peuvent être conçus pour convoyer des matériaux friables ou fragiles, ainsi que des matériaux sensibles à la température. La figure 5 illustre certains des différents types de matériaux qui peuvent être acheminés.

Des paramètres individuels ou une combinaison d'exigences peuvent faire basculer la balance en faveur d'un convoyeur ou d'un autre. Les systèmes de transport pneumatiques sont les mieux adaptés aux produits en vrac secs, fluides ou semi-liquides. Des convoyeurs à vis flexibles spécialement conçus sont disponibles pour le transport de matériaux plus difficiles qui peuvent provoquer le colmatage d'un convoyeur pneumatique et d'un convoyeur à vis standard. Ces convoyeurs de conception unique ont des vis spécialement conçues, des tolérances serrées et des tubes de convoyage droits pour traiter efficacement une grande variété de produits non fluides. Il s'agit par exemple de matières humides comme la cassonade, de matières qui ont tendance à s'agglomérer, à coller ou à s'agglutiner comme le dioxyde de titane (TiO₂) ou d'autres pigments, et de produits comme la pâte à gâteau qui contiennent beaucoup de matières grasses ou d'huile. Grâce à leur vitesse de transport relativement plus lente, les convoyeurs tubulaires à câble sont très appréciés pour leur capacité à déplacer en douceur des matériaux sensibles, fragiles ou friables avec un minimum de dommages.

Lorsqu'il est important de maintenir la température et le taux d'humidité, l'exposition à de grands volumes d'air peut écarter la possibilité d'une manipulation par des systèmes pneumatiques. Bien qu'il soit possible de réguler la température et l'humidité de l'air du convoyeur pneumatique, cela a un impact négatif sur les dépenses, augmentant considérablement les coûts d'installation et de fonctionnement de l'installation. Ces facteurs peuvent faire en sorte qu'un convoyeur à vis flexible ou un convoyeur à câble tubulaire soit un choix plus souhaitable. Ces équipements sont également le meilleur choix pour les matériaux mélangés, car contrairement aux convoyeurs pneumatiques en phase diluée, ils empêchent la séparation des mélanges sur toute la longueur du convoyeur, indépendamment des différences dans les caractéristiques d'écoulement ou de densité du vrac.

Les poudres extrêmement fines (submicroniques) sont mieux transportées avec un système de vis flexible car la quantité de poussière générée par le procédé est minimale et nécessite peu ou pas de filtration d'air au point de rejet. Les particules fines peuvent rendre difficile le nettoyage des filtres dans un système de transport pneumatique, ce qui nécessite une surface de filtration beaucoup plus importante, augmentant ainsi les coûts et l'espace requis pour l'installation. Elles ont aussi tendance à migrer entre les bord du disque et la paroi interne du tube du convoyeur à câble tubulaire, ce qui peut entraîner une résistance plus importante sur le système ainsi qu'une usure accrue des composants.

La balance s'incline vers le transport pneumatique lors de la manutention de matières dangereuses qui nécessitent une atmosphère inerte pour éviter les explosions, l'oxydation ou d'autres changements dans les caractéristiques du produit, mais il est également possible de recouvrir un convoyeur mécanique. Lorsqu'un confinement complet d'un matériau est nécessaire, le transport pneumatique sous vide est la méthode de choix puisque toute brèche dans le système entraînera généralement une fuite d'air dans le convoyeur et non de matériau dans l'environnement de l'usine. De même, avec un matériau à très haute température, un convoyeur pneumatique à surpression a l'avantage. Un système de vide ne peut être exclu, mais des mesures doivent être prises pour protéger la pompe à vide et le média filtrant de la chaleur.

Si la dégradation du produit pendant le transport est une préoccupation, les trois systèmes doivent être correctement conçus pour minimiser les dommages. C'est là que les essais deviennent particulièrement importants, surtout s'il n'y a pas de critères fixes et mesurables pour le niveau admissible de dégradation. Les tests peuvent déterminer la dégradation de chaque technologie à des débits et des conditions de fonctionnement variables. Le transport pneumatique a été utilisé pour déplacer des produits aussi divers que les flocons d'avoine, les éclats de noisettes, les bouchons de bouteilles, les capsules et les comprimés pharmaceutiques sans les endommager. Mais l'expérience avec certains matériaux montre que cette technologie peut modifier considérablement sa densité apparente, bien plus qu'avec un transporteur mécanique, l'avantage allant au transporteur à câble tubulaire en raison de la douceur inhérente de manutention. Un programme d'essai permettra de s'assurer que, quel que soit le produit en vrac, il atteindra sa destination avec des propriétés intactes.

Les matériaux abrasifs sont une situation unique, et le personnel habitué à manipuler les abrasifs est habitué à entretenir l'équipement et à remplacer les composants de ce dernier. Dans le cas du transport par vis flexible, il peut être nécessaire de remplacer périodiquement la vis, mais le temps d'immobilisation est minime. Les convoyeurs à câble tubulaire sont plus susceptibles de subir des dégradations de composants et des temps d'arrêt dus à la manipulation de matériaux abrasifs en raison de leur conception. Bien que les vitesses de transport soient inférieures à celles d'une vis flexible, la présence de plusieurs composants mobiles rend plus difficile la gestion de l'usure par abrasion. Les systèmes pneumatiques en phase diluée peuvent également manipuler des matériaux abrasifs si d'autres paramètres favorisent cette méthode de transport, mais nécessiteront le remplacement périodique des coudes, des vannes rotatives et autres composants. ela nécessite un opérateur ayant un niveau de compétence mécanique plus élevé, ainsi que des arrêts plus longs pour la maintenance. Une conception et des spécifications appropriées du système, p. ex. une disposition qui minimise les points d'impact et l'utilisation de coudes résistants à l'usure, peuvent accroître la durabilité du système pneumatique.

Source et destination des matériaux

Les approvisionnements en matières incluent l'équipement de processus, les petits conteneurs (sacs, fûts ou boîtes), les Big Bag ou les véhicules de transport de vrac (camions, wagons et navires/barges).

Lorsque les matériaux sont importés de sources multiples, séquentiellement ou simultanément, les convoyeurs pneumatiques ou les convoyeurs tubulaires à câble sont le meilleur choix, car des convoyeurs à vis flexibles séparés peuvent être nécessaires pour chaque source, ce qui augmente les coûts. Mais comme les convoyeurs pneumatiques nécessitent des équipements de réception séparés à chaque destination, tels que des réceptacles de filtre, des vannes de pesage ou des vannes rotatives, les convoyeurs tubulaires à câble peuvent être la solution la plus économique pour les livraisons vers plusieurs points de déchargement. Cependant, si ces points sont très proches les uns des autres, les convoyeurs à vis flexibles peuvent être tout aussi efficaces et peut-être moins coûteux.

Pour les matériaux en sacs, fûts ou boîtes, un système de transport sous vide avec une canne de ramassage peut prélever directement le produit dans le conteneur. L'utilisation d'un convoyeur à vis flexible ou d'un convoyeur à câble tubulaire nécessite que les conteneurs soient vidés ou déchargés dans une trémie équipée d'un adaptateur pour le remplissage. L'une ou l'autre technologie convient au transport des produits déchargés des Big Bag lorsque ceux-ci sont correctement suspendus au-dessus d'une trémie de réception équipée de l'adaptateur d'alimentation approprié.

La solution idéale pour vider de plus grands volumes de matériaux tel que les camions, les wagons de chemin de fer et les navires est un système de transport pneumatique en raison de la configuration de ces grands conteneurs.

Paramètres de convoyage

Lorsque les distances sont courtes, le transport mécanique ou pneumatique peut être possible, mais les unités pneumatiques ont tendance à être plus coûteuses. Au fur et à mesure que la distance augmente, les limites d'un convoyeur à vis flexible unique sont atteintes et peuvent en nécessiter plusieurs en série. À un moment donné, le système de transfert par convoyeur à vis flexible multiple devient plus coûteux qu'un système de transfert par câble tubulaire ou pneumatique comparable. Les capacités plus élevées qui résultent du déplacement de grands volumes de matériaux dans un temps relativement court, comme dans le cas du déchargement de navires ou de barges, sont assuré par un système pneumatique qui utilise des lignes de transport de plus grand diamètre.

Lorsque la mobilité de l'équipement est une exigence, les convoyeurs à vis flexibles ou les convoyeurs à dépression peuvent être conçus comme des unités modulaires autonomes mobiles. Cependant, si le même équipement est utilisé pour déplacer plusieurs types de solides en vrac, la polyvalence d'un convoyeur pneumatique pour la manutention de divers produits peut être le facteur déterminant dans le choix, car les convoyeurs à vis flexibles peuvent nécessiter des vis de géométries différentes pour traiter des matériaux dissemblables.

La facilité de nettoyage peut également influencer le choix du convoyeur, en particulier lorsque la contamination croisée est un problème, par exemple dans le traitement des aliments ou les applications pharmaceutiques. Les convoyeurs à vis flexibles sont faciles à nettoyer parce qu'ils n'ont pas de joints d'étanchéité internes, de cavités ou de raccords qui peuvent retenir les particules ou favoriser la contamination. Il suffit d'inverser la rotation de la vis pour évacuer les matières résiduelles et rincer les surfaces intérieures lisses à l'air, à l'eau, à la vapeur ou autre solution de nettoyage. Des accessoires de nettoyage à sec ou à l'eau peuvent être installés sur un convoyeur à câble tubulaire afin de minimiser le temps passé entre les changements de produit. Le système peut également être rincé à l'air, à l'eau, à la vapeur ou autre solution de nettoyage. En revanche, un système de transport pneumatique doit être spécialement conçu pour réduire les contraintes de nettoyage, avec des conduites de transport divisées en sections détachables et des supports permettant de retirer les rotors lourds des vannes rotatives, augmentant ainsi considérablement les coûts.

Si le déchargement complet d'un lot est essentiel, les convoyeurs pneumatiques à surpression ou à vide et les convoyeurs tubulaires à câble sont préférables aux convoyeurs à vis flexibles, qui retiennent le produit après que celui-ci se soit arrêté. C'est pourquoi le capuchon d'extrémité inférieur d'un transporteur à vis flexible doit être enlevé et la vis inversée pour évacuer les matières résiduelles avant que le dispositif puisse être désinfecté.

Conditions de l’installation

L'agencement de l'usine, les exigences d'acheminement et les considérations d'espace sont tous importants lorsque l'on compare les options de transport. Là où le tracé de transport est droit ou légèrement courbé, un convoyeur à vis flexible permet généralement d'effectuer le travail. Lorsqu'il y a de nombreux changements de direction dans un espace restreint, un système pneumatique ou à câble tubulaire a l'avantage, bien que dans la conception de l'acheminement du convoyeur, le nombre de coudes doit être réduit au minimum et leurs inter-distances bien prévues. Les convoyeurs pneumatiques sont bien adaptés à un acheminement horizontal ou vertical droit, mais ne doivent pas être montés à d'autres angles, car la combinaison de la gravité et du frottement peut affecter négativement les performances de l'installation. Lorsqu'un convoyage en biais ou en courbe est souhaitable, un convoyeur à vis flexible est le meilleur choix.

Les limitations physiques telles que l'espace au sol et la hauteur sous plafond ont également un impact sur le choix des convoyeurs. Les convoyeurs à vis flexibles nécessitent un rayon de courbure plus grand et ne peuvent pas effectuer des virages serrés, tandis que les lignes de transport pneumatiques et les convoyeurs tubulaires à câble peuvent traiter des courbes à angle droit.

Les réservoirs filtrants des systèmes pneumatiques peuvent nécessiter plus d'espace libre que la hauteur sous plafond ne le permet, faisant basculer le pendule en faveur d'un transporteur mécanique. Au niveau du sol, un large éventail de facteurs peut entrer en jeu pour déterminer l'espace vertical requis. Par exemple, les convoyeurs tubulaires à câble et les convoyeurs pneumatiques à surpression ont généralement besoin d'une alimentation dosée de matériau, alors qu'un convoyeur à vis flexible ou un convoyeur pneumatique à vide peuvent être alimentés par le flux. Ainsi, si la matière acheminée par le convoyeur provient d'un procédé, l'espace requis peut être à peu près équivalent. Cependant, si le produit est transporté à partir d'un réservoir de stockage, un dispositif de dosage peut être nécessaire pour alimenter le convoyeur à câble tubulaire ou le convoyeur pneumatique à surpression.

Lorsqu'une application nécessite plusieurs types de convoyage, les trois technologies peuvent être utilisées, ce qui élimine les compromis.

C'est une question d'économie

La discussion qui précède a mis en évidence les facteurs les plus courants qui influencent le choix des convoyeurs mécaniques et pneumatiques. Bien que les caractéristiques de chaque matériau et les exigences spécifiques à chaque procédé puissent dicter clairement une technologie par rapport à l'autre, les convoyeurs à vis flexibles et les convoyeurs pneumatiques conviennent à la plupart des applications de transport de vrac. Bien que la gamme de matériaux adaptés aux convoyeurs tubulaires à câble soit plus petite que celle des autres technologies, ils sont efficaces, durables et offrent une manutention ultra-douce des produits.

La décision se prend alors sur le plan économique, avec des convoyeurs à vis flexibles offrant des coûts d'investissement et d'exploitation plus faibles, en particulier sur des distances plus courtes impliquant des capacités plus faibles. Les convoyeurs pneumatiques, bien que leur coût initial et leur consommation d'énergie soient plus élevés, offrent un meilleur rapport coût-efficacité lorsqu'ils transportent des volumes plus importants et/ou sur de plus longues distances. L'investissement initial pour un convoyeur à câble tubulaire se situe généralement entre le coût d'un convoyeur à vis flexible et celui d'un système pneumatique.

En dernière analyse, un avis d'expert impartial et des essais à grande échelle devraient confirmer le bon choix de convoyeur pour les applications particulières.

Figure 1 - Laboratoires d'essai pour le transport par convoyeur à câbles tubulaires, le transport pneumatique et le transport par vis flexible.

Figure 2 - Convoyeur à vis flexible de grande capacité, convoyeur à vis flexible inclinable vers le bas sur roulettes, convoyeur à vis flexible mobile/hygiénique, convoyeur à vis flexible avec moteur à l'entrée pour réduire les besoins d'espace et système automatisé de pesage/de mélange/de remplissage avec convoyeurs à vis flexible sous contrôle automatisé.

Figure 3 - Filter receiver above a bulk bag filler, filter receiver above a ribbon blender, combination loss-of-weight and manual batching system with multiple pneumatic conveyor intake points, vacuum system using pick up wand.

Figure 4 - Convoyeur à câble tubulaire en coupe; convoyeur à câble tubulaire avec station de vidange des sacs; déchargeur de sacs de vrac avec convoyeur à câble tubulaire intégré, système de convoyeur à câble tubulaire intégré avec basculeur à fûts, déchargeur à sacs de vrac et machine de remplissage et d'emballage.

Figure 5

Q-0950A