Choisir un transport pneumatique

Le transport pneumatique est utilisé dans les industries de procédé pour transférer des solides de tailles diverses ( de l'ordre du micron à plusieurs dizaines de mm).
Un transport pneumatique est généralement préféré à tout autre système de convoyage mécanique lorsque le cheminement est long ou complexe, plusieurs points d'entrée ou plusieurs destinations sont à désservir, un problème d'hygiène ou de dangerosité se pose.
Il peut aussi bien être utilisé pour alimenter un stockage depuis une unité de production, que pour alimenter un réacteur depuis un stockage, vider une barge par aspiration, ou récupérer un déversement accidentel.
Il convient aussi bien pour transférer de grandes quantité d'engrais, des produit alimentaires (farine, sucre, thé, riz, ...), des granulés de matière plastique, des cendres de combustion, ....
Si le gaz utiisé pour le transport est chaud, il peut contribuer à sécher le solide.
Pour satisfaire toutes les applications, une grande variété de systèmes et de composants ont été développés, rendant le choix difficile. Les caractéristiques du solide à transférer sont importantes à considérer. En particulier, sa fragilité, son abrasivité et sa distribution granulométrique.
Ce guide est largement inspiré d'un article de David Mills paru dans Chemical Engineering de Février 1990.

Sélection du système

Le premier choix à faire est de décider si le fonctionnement doit être en boucle ouverte ou en boucle fermée.
Il faudra ensuite décider s'il sera opéré en pression, en dépression ou une combinaison des deux.

Boucle fermée

Dans un fonctionnement en boucle fermée, le gaz extrait après sa séparation du solide, est aspiré par un compresseur et retourné vers l'alimentation du transport pneumatique.
Ce fonctionnement sera choisi chaque fois que le solide ou le gaz pose des problèmes d'hygiène ou de sécurité. Si le gaz est de l'azote ou de l'air appauvri un fonctionnement en boucle ouverte serait techniquement acceptable, mais économiquement coûteux.

Boucle ouverte

Dans un fonctionnement en boucle ouverte, le gaz extrait après sa séparation du solide est rejeté à l'atmosphère, alors que du gaz frais est introduit au départ du transport pneumatique. Cette configuration, utilisant de l'air comme gaz de transport, est la plus courante.
Cette configuration demande moins d'investissement puisque la tuyauterie de retour du gaz n'est pas nécessaire. Son coût de fonctionnement sera pénalisé chaque fois qu'un gaz autre que l'air est utilisé.

Système en pression

Le transport pneumatique est opéré à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Il est logiquement disposé au refoulement du compresseur. La pression moyenne est de l'ordre de 0,5 bar effectif. Une fuite de gaz à rebours vers le circuit d'alimentation du solide ne peut être totalement évitée. Elle pourra être minimisée par le choix d'une vanne rotative à faible jeux. Cette fuite de gaz peut gêner l'écoulement du solide.
Cette configuration convient particulièrement si le transport n'est alimenté que par un seul point et doit alimenter plusieurs destinations au moyen d'aiguillages. Si plusieurs points d'alimentation sont présents, la fuite de gaz totale à travers les circuits d'alimentation du solide peut être pénalisante.

Système en dépression

Le transport pneumatique est opéré à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Il est logiquement disposé à l'aspiration du compresseur. La pression moyenne est de l'ordre de 0,5 bar absolu. Cette configuration convient particulièrement si le transport est alimenté par plusieurs points, et ne doit alimenter qu'une seule destination.
L'entré d'air parasite qui se produira par les points d'alimentation ne gènera pas l'écoulement du solide. L'étanchéité du système d'alimentation a moins d'importance. Le dépoussiérage du gaz extrait devra traiter un débit volumique supérieur. L'équipement recevant le solide transporté sera sous vide. Iil devra être d'une construction renforcée et donc plus couteux à construire.

Système combiné

Par l'utilisation d'une capacité intermédiaire, il est possible de combiner un système en dépression avec plusieurs points d'alimentation, et un système en pression avec plusieurs destinations.

Système haute pression

Les solides fragiles, friables ou abrasifs ne peuvent pas être transportés à vitesse élevée en phase diluée. Les solides friables se dégradent en produisant des fines, les solides abrasifs érodent les coudes de tuyauteries et les équipements exposés à leur impact. L'utilisation d'un gaz à haute pression permet d'augmenter la proportion de solide dans le gaz de transport (transport en phase dense), et diminuer la vitesse dans la tuyauterie. Le transport des poudres cohésives peut être facilité par l'introduction de pulsations de gaz à divers points le long de la tuyauterie, créant des bouchons. Si pour une raison quelconque le transport est arrêté sans que la tuyauterie ne soit vide, le transport peut être repris.

Diamètre de tuyauterie

Le diamètre de la tuyauterie conditionne en grande partie les caractéristiques du compresseur. Celui-ci doit être capable de générer une pression suffisante pour vaincre la perte de charge le long du transport. La puissance absorbée sera proportionelle au débit de gaz et à la différence de pression produite.
A même débit et concentration de solide, la perte de charge sera inversement proportionnelle au diamètre de tuyauterie à la puissance quatre. Mais si le débit d'air est limité par un compresseur sous-dimensionné, l'augmentation de la proportion de solide qui pourrait en résulter peut aggraver la situation:
 - tant que le transport pneumatique est en phase diluée, la perte de charge reste décroissante avec le débit de gaz; un point d'équilibre peut être atteint.
 - si la concentration de solide est telle que le transport pneumatique devient en phase dense, la perte de charge augmentera quand le débit de gaz diminuera. Seule la réduction du débit de solide pourra maintenir le transport en fonctionnement.
Comme pour tout écoulement de fluide, la perte de charge est proportionnelle à la vitesse, la longueur, le nombre de changements de direction (coudes, aiguillages, ...), mais dépend aussi du type de solide et de sa proportion dans le gaz.
Plusieurs méthodes complexes ont été proposées par divers auteurs pour calculer la perte de charge. Une méthode simple basée sur un facteur multiplicateur de la perte de charge de l'air seul peut être utilisée en première approximation:
ΔP =  ΔP_gaz (1 + kR)
avec:
ΔP_gaz: perte de charge due au gaz seul
 k: facteur de friction du solide
R: ratio solide/gaz [kg/kg]
La valeur du facteur k doit être déterminée expérimentalement. Les ordres de grandeur suivants sont parfois proposés:
poudre: k>0,6
granulés: k<0,4

Mode d'exploitation

Le transport pneumatique peut être exploité en mode continu ou par batch. Dans ce dernier cas, il devra être dimensionné pour le débit instantané maximal.
Le mode d'exploitation choisi permet de définir le système d'alimentation.

Système d'alimentation

L'alimentation en solide du transport pneumatique peut faire appel à:
 - un sas pressurisé
 - une vanne alvéolaire
 - une vis
 - un venturi
 - ...
La pression opératoire du transport est déterminante dans le choix du système d'alimentation; si le transport est opéré en pression, le système d'alimentation doit empêcher l'air de transport de refouler dans le circuit d'alimentation en solide où il pourrait perturber l'écoulement. On sélectionnera les systèmes suivants:
 - les transports en phase dense sous pression élevée sont généralement alimentés par des sas pressurisés. Pour un fonctionnement continu, deux réservoirs doivent être installés.
 - les transports en phase diluée sous faible pression (<1 bar) ou sous vide sont généralement alimentés par une vanne alvéolaire. Si le transport est sous pression, une tuyauterie d'évent de la vanne alvéolaire sera nécessaire. L'air ainsi purgé sera empoussiéré et devra être orienté vers un traitement adapté.
 - les solides s'écoulant librement peuvent être alimentés au moyen d'un venturi si la pression du transport est faible (<0,3 bar).
 - les transports en phase diluée sous pression modérée peuvent être alimentés par une vanne alvéolaire à jeu réduit ou par une vis si le solide n'est pas abrasif

Compresseur

Le dimensionnement du compresseur résulte essentiellement du calcul de la perte de charge le long de la tuyauterie de transport.
Toute technologie de compresseur capable de fournir le débit et la pression requis peut convenir. Cependant les compresseurs volumétriques (à déplacement positif du gaz) sont souvent préférés. Contrairement aux compresseurs dynamiques (compresseur centrifuge par exemple), les compresseurs volumétriques ont l'avantage de maintenir un débit de gaz quasiment constant quelle que soit la pression différentielle générée. Ceci permet de se prémunir contre une baisse excessive du débit d'air en cas d'augmentation accidentelle de la perte de charge du circuit de transport (encrassement des filtres, excès de charge solide, accumulation dans un coude, ...). Une trop forte baisse du débit d'air conduirait au bloquage du transport. Par contre, en cas d'augmentation de la pression différentielle générée, la puissance absorbée par la machine est augmentée et l'entrainement doit pouvoir l'accepter.

Pression

Le compresseur fourni une pression différentielle. Celle-ci est utilisée pour vaincre la perte de charge de la tuyauterie de transport, mais aussi des filtres, le système d'alimentation (sas pressurisé, venturi).

Débit de gaz

Le débit de gaz fourni par le compresseur est généralement exprimé en "air libre".

Séparateur gaz/solide

Le séparateur du gaz et du solide à deux fonctions:
 - récupérer le maximum de solide véhiculé par le gaz
 - rendre le gaz propre et sain pour être recyclé vers un compresseur ou rejeté à l'atmosphère.
La taille des particules solide est déterminant dans le choix du séparateur; plus les particules sont fines, plus l'équipement séparateur sera complexe et couteux.

Séparateurs par gravité

Lorsque les particules à séparer sont grosses et denses, sans présence de fines, une séparation par gravité peut suffire. En arrivant dans la capacité de destination, les particules tomberont spontanément vers le bas, tandis que le gaz pourra être extrait en partie haute.
Cet effet de gravité peut être accentué par un système de cyclone; le gaz chargé de solide est introduit tangentiellement dans un équipement cylindrique, ce qui imprime au gaz un mouvement de rotation. L'effet centrifuge ainsi créé provoque le mouvement des particules solides vers la paroi externe, puis vers le bas. Le gaz est extrait en partie haute, à proximité de l'axe de l'équipement.
Un cyclone est un équipement robuste requiérant peut de maintenance. Il est aisé à installer, ne nécessitant ni source d'énergie ni air comprimé. Son efficacité est cependant limitée pour retenir les particules les plus fines.

Séparateurs par filtration

Lorsque les particules à séparer sont fines et légères, un système de cyclone peut se révéler insuffisant. Le gaz devra alors être filtré. Des filtres  équipés de poches ou de manches en tissu sont généralement utilisés. La quantité de solide à recueillir étant souvent importante, un système de décolmattage automatisé est indispensable. Le décolmattage peut être par secouage des poches ou par injection d'air comprimé à contre courant.
Les séparateurs par filtration peuvent générer des pertes de charge importantes, en particulier si le décolmattage est inefficace, si le gaz est humide, .... Une augmentation excessive de cette perte de charge peut affecter la capacité en débit du compresseur et par conséquence la capacité du transport pneumatique.