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Pour toute question : Service Relation Clientèle • Éditions Techniques de l’Ingénieur • 249, rue de Crimée 75019 Paris – France par mail : infos.clients@teching.com ou au téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 DOSSIER Techniques de l’Ingénieur l’expertise technique et scientifique de référence Par : Ce dossier fait partie de la base documentaire dans le thème et dans l’univers Document délivré le Pour le compte Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Editions T.I. j3800 Agitation. Mélange - Concepts théoriques de base Michel ROUSTAN Ingénieur INSA (Institut national des sciences appliquées de Toulouse), Professeur de génie chimique ? INSA Toulouse Alain LINE Ingénieur INPT (Institut national polytechnique de Toulouse), Professeur de mécanique des fluides ? INSA Toulouse Jean-Claude PHARAMOND Ingénieur INSA, Dosapro Milton Roy Opérations unitaires - agitation et mélange Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique Procédés chimie - bio - agro 06/07/2012 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 3 800 − 1 Agitation. Mélange Concepts théoriques de base par Michel ROUSTAN Ingénieur INSA (Institut national des sciences appliquées de Toulouse) Professeur de génie chimique − INSA Toulouse Jean-Claude PHARAMOND Ingénieur INSA Dosapro Milton Roy et Alain LINE Ingénieur INPT (Institut national polytechnique de Toulouse) Professeur de mécanique des ﬂuides − INSA Toulouse es techniques d’agitation, qui ont longtemps été considérées comme un art, s’appuient maintenant sur des considérations tant théoriques qu’expéri- mentales, qui permettent une approche scientiﬁque des problèmes posés. Des progrès énormes ont en effet pu être réalisés grâce, d’une part, à l’accumulation de données sur le fonctionnement d’unités industrielles et, d’autre part, à l’effort de recherche important accompli par quelques sociétés et laboratoires universi- taires spécialisés dans le domaine de l’agitation et du mélange. D’une façon très générale, la détermination d’une unité d’agitation consiste soit à sélectionner l’appareil adapté à un nouveau procédé, soit à extrapoler (ou interpoler) les résultats obtenus avec un appareil donné dans le cadre d’une fabrication existante. Les potentialités des nouveaux moyens expérimentaux et numériques permet- tent de développer une approche locale qui complète l’approche globale classi- que du fonctionnement des cuves agitées. L ’analyse locale du fonctionnement d’une cuve agitée (ﬁgure A) donne accès aux distributions spatiale et temporelle de la vitesse et de la turbulence. Cette information peut aider à comprendre et à contrôler le mélange dans la cuve agi- tée et peut conduire à optimiser son fonctionnement dans différentes condi- tions. Dans tous les cas, une bonne connaissance du procédé est indispensable pour permettre le choix le plus favorable à l’accomplissement de ce procédé, notam- ment sur le plan économique. 1. Opérations de mélange .......................................................................... J 3 800 - 3 2. Déﬁnition d’un système d’agitation................................................... — 6 3. Paramètres globaux d’un système d’agitation................................ — 9 4. Paramètres locaux d’un système d’agitation................................... — 13 5. Exemples de calculs pour des systèmes d’agitation .................. — 16 6. Choix du matériel d’agitation..................................................... — 18 7 . Extrapolation du pilote à l’échelle industrielle ............................... — 20 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. J 3 803 L Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 tiwekacontentpdf_j3800 AGITATION. MÉLANGE __________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. J 3 800 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés Notations et symboles Symbole Unité Définition a, a’ ............................ coefficients ai m2/m3 de liquide aire interfaciale volumique d’échange A ............................ facteur définissant le degré de mélange b m largeur des chicanes b’ m distance d’une chicane décollée de la paroi à la paroi C1-C2 mol/m3 gradient de concentration (ou facteur de potentialité) d m diamètre du mobile d’agitation D m diamètre de la cuve agitée Fr ............................ nombre de Froude g m/s2 accélération de la pesanteur s−1 gradient de vitesse (ou taux de cisaillement) moyen H m hauteur de la solution dans la cuve H∗ m hauteur théorique créée par le mobile d’agitation k ............................ constante k’ ............................ constante km ............................ constante ............................ constante kL m/s coefficient de transfert de matière côté film liquide K ............................ constante m longueur des pales L m dimension caractéristique nc ............................ nombre de chicanes collées contre la paroi ............................ nombre de chicanes décollées de la paroi np ............................ nombre de pales du mobile d’agitation N s−1 fréquence de rotation du mobile d’agitation N° mol/(m3 · s) débit de matière transférée par unité de volume (ou taux de transfert de masse) NP ............................ nombre de puissance NP0 ............................ nombre de puissance en régime turbulent NQc ............................ nombre de circulation NQp ............................ nombre de pompage p m pas de l’hélice P W puissance d’agitation Qc m3/ s débit de circulation Qe m3/ s débit d’entraînement Qp m3/s débit de pompage du mobile d’agitation Re ............................ nombre de Reynolds tc s temps de circulation : tc = V/Qc tM s temps de mélange tp s temps de pompage : tp = V/Qp U m/s vitesse d’écoulement Ux m/s vitesse instantanée du liquide dans une direction Ox m/s vitesse moyenne du liquide dans une direction Ox Gm, Gm ′ km ′ œ nc * Ux H Y d w b' b b D Figure A - Cuve agitée Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 tiwekacontentpdf_j3800 _________________________________________________________________________________________________________________ AGITATION. MÉLANGE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 3 800 − 3 .............................. vitesse adimensionnelle ux m/s fluctuation de vitesse dans une direction Ox m/s valeur quadratique moyenne de la fluctuation de vitesse dans une direction Ox V m3 volume de liquide contenu dans la cuve Vp m/s vitesse périphérique du mobile d’agitation w m largeur (ou hauteur) des pales We ............................ nombre de Weber Y m élévation du centre du mobile d’agitation par rapport au fond de la cuve γ kg/s2 ou N/m tension superficielle ε W / kg puissance dissipée par unité de masse η Pa · s viscosité dynamique de la solution agitée (η = ρν) λ m dimension caractéristique d’un petit tourbillon ν m2/s viscosité cinématique de la solution agitée ρ kg/m3 masse volumique de la phase liquide agitée τ Pa contrainte de cisaillement Φ ............................ Notations et symboles Symbole Unité Définition Uz * ux ′ Φ NP Fry - - - - - - - - = 1. Opérations de mélange En mettant à part les mélanges gaz-gaz, solide-solide et solide-gaz (lits ﬂuidisés), on peut regrouper les opérations de mélange en qua- tre grandes classes d’application. Chacune peut se caractériser par son aspect physique ou chimique. Il est bien évident qu’un pro- blème donné se rapportera rarement à une caractéristique unique, mais plutôt à un ensemble de caractéristiques et il conviendra donc d’identiﬁer clairement les étapes limitantes du procédé (tableau 1). 1.1 Mélanges liquide-solide Il s’agit là de l’une des applications les plus courantes de l’agita- tion : lixiviations, polymérisations, fermentations, réactions en pré- sence de catalyseur, dissolutions, stockages de pulpes ou de pâtes, etc. Le rôle de l’agitateur consiste à créer une vitesse ascendante du ﬂuide porteur supérieure à la vitesse de chute des particules, dans certains cas le problème peut être inversé et l’on doit alors intro- duire dans le liquide des solides qui tendent à ﬂotter. 1.1.1 Aspect physique Les paramètres importants à prendre en compte sont de deux types : les données initiales et la déﬁnition du résultat à obtenir. 1.1.1.1 Données initiales Ce sont celles qui permettent d’évaluer les caractéristiques de sédimentation des solides dans le liquide. À défaut de mesure en laboratoire de la vitesse de sédimentation, pour déterminer la vitesse de chute des particules, il est donc nécessaire de connaître : — la masse volumique du liquide ; — la masse volumique du solide ; — le diamètre équivalent des particules et la répartition granulo- métrique ; — le pourcentage total des solides (en masse). 1.1.1.2 Déﬁnition du résultat à obtenir Le rôle de l’agitation varie dans de grandes proportions suivant le procédé que l’on met en œuvre. Dans certains cas (dissolution, par exemple), il sufﬁt de maintenir les plus gros solides en mouvement sur le fond tandis que les particules plus ﬁnes sont effectivement mises en suspension plus ou moins haut dans la cuve (ﬁgure 1 a). Le plus souvent, pour uploads/s1/ j3800.pdf