OA21704A - Broyeur à billes - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un broyeur servant à raffiner et mélanger les matières premières pour la production de la masse de chocolat et des pâtes diverses. Adapté au broyage des fluides non-newtonien quel que soit leurs viscosités, ce broyeur est constitué de plusieurs milliers de billes (17) logées dans une chambre de broyage (16) composée d'un tambour (20) formant ensemble avec la jaquette (7) une double enveloppe logeant une chemise d'eau (6), de plusieurs bras agitateurs (18, 19) solidaires d'un arbre (14) entrainé par un motoréducteur (1). Ce broyeur est optimisé en termes de temps de raffinage et de consommation d'énergie, tout en obtenant une finesse très appropriée pour l'industrie du chocolat. <img file="OA21704A_A0001.tif"/> Planche Unique - Figure 1

Description

DESCRIPTION DE L’INVENTION

La présente invention concerne un broyeur à billes servant à mélanger et raffiner les matières premières pour la production de la masse de chocolat et des pâtes diverses.

Il est connu de l’état de la technique que quatre principaux types de broyeurs ont été mis au point pour l’industrie du chocolat : les broyeurs à meules, les broyeurs à cylindres, les broyeurs à marteaux et les broyeurs à billes.

Les broyeurs à meules utilisent deux meules en pierre ou en acier pour broyer les grués de cacao et les transformer en pâte de cacao. Malheureusement, les limailles issues de l’usure des meules se retrouvent dans les produits broyés, ce qui est impropre pour la santé. Par ailleurs la finesse des produits broyés est assez grossière et peu pratique, de l’ordre de 150 pm à 300 pm. Ces broyeurs ont très vite été délaissés malgré leur coût abordable.

Dans les grosses industries, le broyage des grués de cacao s'effectue le plus souvent à l'aide d'un raffmeur à cylindres en acier. Ces équipements sont très lourds et très coûteux. Leurs installations nécessitent la mise en œuvre d’une structure portante de sol d’une performance capable de recevoir de telles charges. Seules les grandes firmes internationales s’offrent de tels investissements, surtout qu’en plus, la nécessité d’une maintenance régulière et complexe pour assurer leurs bons fonctionnements s’impose notamment le très délicat nettoyage régulier des cylindres, le remplacement des pièces d'usure et la lubrification des composants. Il convient aussi de noter que les cylindres de ces broyeurs sont très sensibles aux corps étrangers tels que les pierres, les morceaux de métal ou les impuretés présentes dans les fèves de cacao. Ces corps étrangers endommagent de temps en temps les cylindres et entraînent des coûts de réparation très élevés.

Un autre type de broyeur qui a été utilisé temporairement dans l’industrie du chocolat c’est le broyeur à marteaux qui utilise des éléments rotatifs pour frapper et broyer les particules. Certains chocolatiers ont utilisé ce type de broyeur avant de s’en débarrasser au plus vite, les propriétés rhéologiques du chocolat ne permettant pas d’obtenir un broyage uniforme et de qualité acceptable avec ces broyeurs.

Les broyeurs à billes encore appelés broyeurs à boulets agités ont été utilisés pendant des siècles dans l'industrie chimique et minière pour fragmenter et raffiner des matériaux durs, mi-durs, mous, résistants, et fibreux jusqu'à l’obtention d’une granulométrie aussi fine que possible. C’est le cas dans les cimenteries, l’extraction des mines, la production 5 des encres et des colorants, et bien d’autres applications. Récemment, ces broyeurs à billes ont vu leurs utilisations s’étendre au domaine agroalimentaire dans le raffinage des grués de cacao et du chocolat. Malheureusement un problème majeur se pose : les broyeurs actuellement disponibles consomment tellement d’énergie pendant le processus de raffinage du chocolat, ce qui augmente énormément les coûts de production avec un 10 impact considérable sur la rentabilité. En plus, un autre problème et pas des moindres a beaucoup milité à la limitation de l’utilisation de ces broyeurs aux barons de l’industrie cacaoyère : Le chocolat étant un fluide non-newtonien et partiellement rhéofluidifiant, sa viscosité diminue lorsque la contrainte de cisaillement augmente, exactement comme tous les fluides pseudoplastiques, ce qui fait que les broyeurs à boulets actuellement 15 utilisés produisent des masses de chocolat avec des granulométries de qualité mitigée et de finesse instable. Les industries qui comptent ces broyeurs dans leur ligne de production sont obligés d’utiliser un équipement supplémentaire pour assurer le raffinage complémentaire.

La présente invention permet de remédier à plusieurs de ces inconvénients. En effet, 20 le broyeur à billes de l’invention, d’un poids léger et d’un coût de fabrication faible, adapté au broyage des fluides non-newtonien quel que soit leurs viscosités, permet de raffiner les grués et les autres ingrédients qui y sont introduits jusqu’à la finesse souhaitée, pouvant descendre jusqu’à 10 pm. Ce résultat est obtenu en un temps très court, de l’ordre de quatre heures, avec une consommation d’énergie considérablement réduite par 25 rapport aux broyeurs couramment utilisés pour la transformation d’une quantité de produits similaires en une durée d’environ 48 heures.

En effet, les matières premières introduites dans le broyeur de l’invention par la trémie ( 15) se retrouvent dans la chambre de broyage ( 16) contenant des milliers de billes (17) soumises à une agitation intense. Ces billes (17), nombre pouvant aller jusqu’à 30 120.000 voire plus en fonction de la capacité du broyeur, sont agitées par deux séries de bras (18) et (19) fixés perpendiculairement sur un arbre (14) entraîné en rotation par un motoréducteur (1). L’hydrodynamique globale du fluide équivalent - fluide correspondant au mélange des billes de broyage et des matières premières (grués, sucre, lait, etc) à l’intérieur du broyeur de l’invention - permet de voir que ce fluide est de propriétés rhéologiques variables. Les vitesses d’impact et les nombres de Reynolds caractéristiques des collisions dans notre broyeur imposent un déplacement irrégulier et une trajectoire complexe dans l’entrefer entre les billes de haut vers le bas. Ces billes qui se frottent et s’entrechoquent créent la fragmentation des particules des matières présentes dans la chambre de broyage par frottements, cisaillements et chocs.

Pendant tout le processus, la température à l’intérieur de la chambre de broyage est régulée par une chemise d’eau (6) gérée par une sonde thermostatique (21). Cette chemise d’eau (6) est située entre le tambour (20) de la chambre et la jaquette (7). Elle est équipée de capteurs de température et de thermorégulateurs contrôlés par tableau électrique.

Un système de séparation à la base de la chambre de broyage (16), constitué d’une cartouche tamisante (10), permet d'évacuer la masse broyée tout en maintenant les billes de broyage à l'intérieur de la chambre. Une pompe (12) disposée au sortir de la cartouche tamisante (10) aspire la masse broyée et la refoule soit à l’entrée du broyeur, créant un cycle continu de recirculation jusqu’à l’obtention de la finesse désirée, soit vers une cuve de collecte du produit raffiné à point. Deux électrovannes (9) permettent de sélectionner l’orientation du produit. Une ventouse électromagnétique (3) situé le long du canal (4) actionne un extracteur d’air (2) qui aspire les acides acétiques et les autres acides volatiles indésirables provenant de la masse de chocolat et se retrouvant constamment au-dessus de la chambre de broyage.

L’efficacité et la productivité du broyeur de l’invention sont dues à l’adéquation entre la taille de la chambre de broyage (16), la vitesse de rotation du motoréducteur (1), la taille et la matière des billes (17) utilisées, le coefficient diamètre/hauteur du tambour de la chambre, la durée du séjour du produit dans la chambre, ainsi que du taux de remplissage du broyeur par des billes.

Afin d’optimiser le processus de raffinage du chocolat en termes de temps de raffinage et de consommation d’énergie¹, nous avons pris en compte de nombreux ¹ C. Alamprese, L. Datei, Q. Semeraro: Optimisation des paramètres de traitement d'un broyeur à boulets pour le chocolat, https://doi.Org/10.1016/j.jfoodeng.2007.04.014 paramètres, à savoir la géométrie du broyeur (volume de la chambre de broyage (16), géométrie de la chambre et des bras agitateurs (18,19)), les conditions de fonctionnement (vitesse de rotation des bras agitateurs, durée de l’opération ou temps de séjour des particules dans le broyeur), les propriétés des billes (17) de broyage (module d’Young, masse volumique, taille des billes, taux de remplissage), les propriétés des produits à raffiner (module d’Young des particules, taille des particules, concentration en particules dans la suspension, masse volumique et viscosité de la suspension).²

Fort de ces facteurs, nous avons dimensionné nos broyeurs à billes conformément aux formules développées par Oleg D Neikov et al.³ ci-dessous :

N = 0.104D³Lp, ω⁰'⁸⁸ + O.lLn— rb.ap'r _{η r}

Où N est la productivité de notre broyeur, D le diamètre du tambour, L la longueur du tambour, pb._ap la densité apparente des billes, φ le degré de remplissage du broyeur par billes, n le nombre des tours par minute, et η 1, et η2 des coefficients de l'efficacité du moteur électrique et de l'entraînement, respectivement.

Nous avons calculé la grandeur minimale de la taille de la bille dans le broyeur de l’invention en millimètres à partir de l'équation :

rfb.min - ^10rfb.max L_128EpbD où db.max est la taille maximale de l'alimentation (mm), σ la résistance à la compression (MPa), E le module d'élasticité (MPa), pb la densité du matériau des billes (kg/m³) et D le diamètre (m) intérieur du tambour (20) de notre broyeur.

La taille de bille maximale que nous avons obtenu par ce calcul et que nous recommandons dans les broyeurs de l’invention est de D/24.

² Romain GERS : Analyse locale de l'hydrodynamique d'un broyeur à billes agité pour le traitement de dispersions solide-liquide, thèse de doctorat, 2009, Université de Toulouse ³ Oleg D Neikov, N. A. Yefimov, Stanislav Naboychenko, Irina B Mourachova, Victor G Gopienko, Irina V Frishberg, Dina V Lotsko: Handbook of Non-Ferrous Métal Powders, 2^eme édition, page 47-62 https://doi.org/10.1016/B978-l-85617-422-0.X0001-8

Le dessin en annexe décrit l’invention. La figure l représente une vue d’ensemble du dispositif selon l'invention.

En référence à ce dessin, et à titre d’exemple d’exécution, le broyeur à billes de l’invention est constitué :

- d'une chambre de broyage (16) composée d’un tambour (20) formant ensemble avec la jaquette (7) une double enveloppe logeant une chemise d’eau (6) ; le tambour (20) a une surface intérieure recouverte d’un alliage d’acier inoxydable résistant à l’abrasion ;

- d’une trémie d’alimentation (15), fixée au sommet du tambour (20)

- d’un motoréducteur (1) à engrenages en acier trempé et rectifié, monté sur roulements à billes lubrifiés en bain d'huile. Ce motoréducteur est dimensionné conformément à la capacité du broyeur à billes ;

- de plusieurs bras agitateurs (18, 19) solidaires d’un arbre (14) sur lequel ils sont disposés perpendiculairement à l’axe. Ces bras agitateurs ainsi que l’arbre sont tous en acier inoxydable résistant à l'abrasion. L’arbre (14) est ancré dans le motoréducteur (1) qui l’entraine en rotation tout au long du processus de raffinage ;

- de 80.000 billes (17) en acier inoxydable résistant à l’abrasion, chargées dans le broyeur par la trémie (15) et déchargées par un orifice situé à la base de la chambre de broyage (16) et dont le capuchon est retiré à l’occasion de ladite décharge des billes ;

- d’une pompe volumétrique (12) pour le recyclage du produit et le transfert vers les réservoirs de stockage à la fin du cycle de travail ;

- d’une sonde thermostatique (21) raccordée à un thermorégulateur pour le contrôle de la température de l'eau et des produits à l’intérieur de la chambre de broyage (16) ;

- de deux électrovannes (9) pour la gestion de la recirculation et le transfert des produits finis hors du broyeur à billes ;

- d’un châssis (13) qui porte l’ensemble des pièces composant le broyeur ;

- d’un tableau à automate programmable qui gère toutes les opérations du broyeur, la vitesse de rotation du motoréducteur, la durée de chaque opération, les alarmes nécessaires en fin d’opération, la décharge du produit, la mise en marche de l’extracteur, bref le fonctionnement général du broyeur ;

Toutes les pièces en contact avec les produits en cours de raffinage sont en acier inoxydable AISI 304. L’homme de l’art saura dimensionner, conformément aux deux 5 formules listées plus haut, les pièces constituant le broyeur à bille en fonction de la capacité et de la productivité du broyeur à construire. Il saura optimiser le diamètre du tambour corrélé à la longueur du tambour, la densité apparente des billes, le degré de remplissage du broyeur par les billes, le nombre des tours par minute, les coefficients de l'efficacité du moteur électrique et de l'entraînement. Pour ce faire, il prendra en compte 10 les propriétés mécaniques comme la dureté (échelle de Mohs) et la rhéologie effective du produit à raffiner (chocolat, pâtes). Cette optimisation des pièces du broyeur permet de fabriquer ces machines à des coûts extrêmement faibles comparés aux prix des autres équipements de productions similaires, et d’obtenir les meilleurs rendements avec le minimum d’énergie.

Claims (3)

1. Un broyeur à billes constitué de plusieurs milliers de billes (17) logées dans une chambre de broyage (16) composée d’un tambour (20) formant ensemble avec la jaquette (7) une double enveloppe logeant une chemise d’eau (6), d’une trémie d’alimentation (15), de plusieurs bras agitateurs (18, 19) solidaires d’un arbre (14) tous en acier inoxydable résistant à l'abrasion, et d’un motoréducteur (1) »

2. Broyeur à bille selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il est adapté au broyage des fluides non-newtonien quel que soit leurs viscosités ÿ

3. Broyeur à bille selon toutes les revendications précédentes caractérisé en ce qu’il dispose d’une bonne adéquation entre le diamètre du tambour, la longueur du tambour, la densité apparente des billes, le degré de remplissage du broyeur par les billes, le nombre des tours par minute, les coefficients de l'efficacité du moteur électrique et de l'entraînement, le rendant très peu coûteux comparé aux autres types d’équipements de raffinage, tout en obtenant une finesse très appropriée pour l’industrie du chocolat.