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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL UNE MÉTHODE EXPÉRIMENTALE D'ÉVALUATION GLOBALE DU POMPAG

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL UNE MÉTHODE EXPÉRIMENTALE D'ÉVALUATION GLOBALE DU POMPAGE D'UN AGITATEUR APPLICATION AU MÉLANGEUR MAXBLEND™ EN MILIEUX NEWTONIEN ET NON - NEWTONIEN YOANN GUNTZBURGER DÉPARTEMENT DE GÉNIE CHIMIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCE APPLIQUÉES (GÉNIE CHIMIQUE) JUIN 2012 © Yoann Guntzburger, 2012. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé: UNE MÉTHODE EXPÉRIMENTALE D'ÉVALUATION GLOBALE DU POMPAGE D'UN AGITATEUR APPLICATION AU MÉLANGEUR MAXBLEND™ EN MILIEUX NEWTONIEN ET NON- NEWTONIEN présenté par : GUNTZBURGER Yoann en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès Science Appliquées a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de : M. CICOIRA Fabio, Ph.D., président M. FRADETTE Louis, Ph.D., membre et directeur de recherche M. BERTRAND François, Ph.D., membre et codirecteur de recherche Mme HEUZEY Marie-Claude, Ph.D., membre iii « Panta Rei » - Héraclite iv REMERCIEMENTS Je remercie tout particulièrement mes deux directeurs de recherches, les Professeurs Louis Fradette et François Bertrand, ainsi que le Professeur Philippe Tanguy, pour la confiance qu'ils m'ont accordée bien avant le début de cette maitrise, ainsi que leur indéfectible soutient et leurs encouragements lors de ce projet et de mes récentes décisions. Merci infiniment pour tout. Je remercie également la compagnie Sumitomo Heavy Industries Process Equipment Co. pour leur soutien matériel. Je remercie tout spécialement Messieurs Yatomi-san et Nishimi-san pour leur accueil lors de mon séjour au sein de la compagnie et les agréables moments passés ici et là- bas. J'adresse mes plus affectueuses pensées à nos deux secrétaires Diane et Damienne. Merci pour vos sourires, votre gentillesse et votre bonne humeur. J'adresse également mes sincères remerciements à toute l'équipe technique du département et particulièrement à Martine Lamarche, Gino Robin, Jean Huard, Carol Painchaud et Robert Delisle. Merci à vous tous. Je remercie spécialement Vincent Stobiac pour sa gentillesse, son soutient et surtout sa patience lors de nos études numériques. J'adresse également une pensée particulière à mes amis et partenaires de bureau: Paul Mosser, André Fontaine et Simon Archambault sans qui cette maîtrise n'aurait surement pas été la même. Un grand merci également à toute l'équipe passée et actuelle de l'URPEI: Laetitia, Nick, Christophe, Florian, Julie, Cyrille, Hamed et Ebrahim. Finalement, je remercie spécialement Luc Sagnières ainsi que Pierre Monnier pour leur aide dans différentes parties du projet. v RESUME Une méthode expérimentale permettant l'évaluation du pompage global d'un agitateur et basée sur la technique de décoloration a été développée dans cette étude. Actuellement, les méthodes expérimentales les plus utilisées pour déterminer localement le pompage d'un agitateur sont la vélocimétrie par image de particules (PIV) et la vélocimétrie laser (LDV), méthodes coûteuses et complexes. Cette nouvelle méthode proposée ici est simple d'utilisation, peu coûteuse et peut être utilisée afin de rapidement combler les manques dans la littérature relatifs aux effets de la géométrie de l'agitateur ou de la rhéologie du fluide sur le pompage généré par un système de mélange. Cette méthode a tout d'abord été validée en évaluant le pompage généré par des agitateurs bien documentés dans la littérature. Ces agitateurs sont une turbine Rushton à six pales (RT), une turbine à pales inclinées (PBT) et un hydrofoil à trois pales (HP). Ces agitateurs ont été testés en milieu newtonien. La capacité de pompage du Maxblend™ a par la suite été évaluée en milieu newtonien et non-newtonien, en régime transitoire et turbulent, puis comparée aux précédents agitateurs. Ainsi, si l'on considère la capacité de pompage normalisée par la puissance consommée, l'hydrofoil est l'agitateur le plus performant en turbulence complète (Nq*g = 2,8) grâce à sa faible consommation de puissance, suivit par la turbine à pales inclinées (Nq*g = 0,94), le Maxblend™ (Nq*g = 0,77) et finalement la turbine Rushton (Nq*g = 0,4). Cependant, le mélangeur Maxblend™ génère les meilleurs résultats en termes de temps de mélange sur la gamme complète de nombre de Reynolds testée. Finalement, la rhéologie du fluide ne semble que peu affecter les performances du mélangeur Maxblend™ en termes de temps de mélange et de capacité de pompage en régime transitoire et turbulent. En revanche, pour des nombres de Reynolds inférieur à 10, le Maxblend™ a généré des situations de mélange pathologiques avec le fluide non newtonien. Mots clefs: méthode expérimentale, capacité de pompage global, mélangeur Maxblend™, fluides newtoniens et non-newtoniens. vi ABSTRACT This investigation introduces an experimental method to determine the macro pumping capacity of an impeller in a transparent vessel using a decolorization method, contrary to commonly used experimental methods such as Particle Image Velocimetry (PIV) and Laser Doppler Velocimetry (LDV). This new inexpensive and easy-to-use method can be employed to quickly fill the lack of data available in the literature about geometrical effects on the global pumping efficiency of an impeller. This method was first applied to three well-known mixing systems and a Newtonian fluid to assess its reliability and accuracy: a six blades Rushton turbine (RT), a pitched blade turbine (PBT) with four 45° blades, and a three-blade hydrofoil propeller (HP). The global pumping capacity of the Maxblend™ impeller is then evaluated for both Newtonian and non-Newtonian fluids and compared to the other impellers in the transient to the turbulent regime. As results, considering the global pumping number normalized by the power consumption (Nq*g), the hydrofoil appears to be the most efficient (Nq*g = 2.8) in the fully turbulent regime. However, in terms of mixing time, the Maxblend™ impeller shows the best results over the entire range of Reynolds numbers. Finally, the shear-thinning behavior of the non-Newtonian fluid used does not affect the Maxblend™ impeller pumping and mixing capacity for Reynolds numbers below 80. Keywords: experimental method, global pumping capacity, Maxblend™ impeller, Newtonian, non-Newtonian. vii TABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS ......................................................................................................................IV RESUME ......................................................................................................................................... V ABSTRACT ...................................................................................................................................VI TABLE DES MATIERES ........................................................................................................... VII LISTE DES TABLEAUX ..............................................................................................................IX LISTE DES FIGURES .................................................................................................................... X LISTE DES ABREVIATIONS ET DES SYMBOLES .............................................................. XIII CHAPITRE 1: INTRODUCTION ............................................................................................... 1 CHAPITRE 2: REVUE DE LITTERATURE .............................................................................. 8 2.1. Rhéologie des liquides ..................................................................................................... 8 2.1.1. Transfert de quantité de mouvements ...................................................................... 8 2.1.2. Comportements rhéologiques ................................................................................. 10 2.1.3. Modèles mathématiques ......................................................................................... 14 2.1.4. Effet de la température sur la viscosité .................................................................. 16 2.2. Puissance d'un agitateur ................................................................................................. 17 2.2.1. Caractérisation d'un écoulement............................................................................. 17 2.2.2. Consommation de puissance en régime laminaire ................................................. 18 2.2.3. Consommation de puissance en régime turbulent .................................................. 19 2.2.4. Évaluation de la puissance dans le cas non newtonien .......................................... 21 2.2.5. Impact de l'énergie inertielle .................................................................................. 22 2.3. Temps de mélange .......................................................................................................... 24 2.3.1. Définition du mélange ............................................................................................ 24 2.3.2. Techniques de mesure ............................................................................................ 26 2.4. Pompage ......................................................................................................................... 29 2.5. Le Maxblend™............................................................................................................... 31 2.5.1. Applications ........................................................................................................... 31 2.5.2. Caractérisation de la consommation de puissance, du pompage et du temps de mélange du Maxblend™ ........................................................................................................ 35 viii 2.5.3. Écoulements générés par le Maxblend™ ............................................................... 35 2.5.4. Impact de la configuration géométrique ................................................................. 36 2.5.5. Le Superblend™..................................................................................................... 37 2.6. Problématique et objectifs spécifiques de l'étude ........................................................... 39 CHAPITRE 3: METHODOLOGIE............................................................................................ 40 3.1. Étude de la performance du Maxblend™ et de son pompage ........................................ 40 3.1.1. Système de mélange ............................................................................................... 40 3.1.2. Fluides utilisés ........................................................................................................ 42 3.1.3. Mesure de puissance ............................................................................................... 44 3.1.4. Mesure du temps de mélange ................................................................................. 46 3.2. Tomographie par résistance électrique. .......................................................................... 48 3.2.1. Méthode ERT ......................................................................................................... 49 CHAPITRE 4: RESULTATS ..................................................................................................... 51 4.1. Présentation de l'article et des résultats complémentaires .............................................. 51 4.2. An experimental method to evaluate global pumping in a mixing system: application to the Maxblend™ for Newtonian and non-Newtonian fluids ....................................................... 52 4.2.1. Abstract .................................................................................................................. 52 4.2.2. Introduction ............................................................................................................ 53 4.2.3. Materials and method ............................................................................................. 54 4.2.4. Results and discussion ............................................................................................ 63 4.2.5. Conclusion .............................................................................................................. 82 4.2.6. Acknowledgements ................................................................................................ 83 4.2.7. Nomenclature ......................................................................................................... 83 4.2.8. Literature cited ....................................................................................................... 84 4.3. Résultats complémentaires: Tomographie par résistance électrique .............................. 87 4.3.1. Reproductibilité des mesures ................................................................................. 87 4.3.2. Comparaison entre ERT et décoloration ................................................................ 88 CHAPITRE 5: DISCUSSIONS, CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS .................... 90 CHAPITRE 6: BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................. 92 ix LISTE DES TABLEAUX Tableau 2.1. Principaux modèles rhéologiques ............................................................................. 15 Tableau 2.2. Avantages et inconvénients des méthodes de mesure locales et globales du temps de mélange. ................................................................................................................................. 28 Tableau 2.3. Constantes caractéristiques d'une turbine Rushton, d'un Maxblend (de type Wedge), d'un ruban hélicoïdal et du Superblend™ .............................................................................. 38 Tableau 3.1. Dimension des systèmes de mélange utilisés. .......................................................... 42 Tableau 3.2. Valeurs des paramètres du modèle de Carreau-Yasuda en fonction de la teneur en sel de la solution de Steol ....................................................................................................... 44 Tableau 3.3. Dimension du banc expérimental d'ERT. ................................................................. 50 Tableau 4.1. Dimensions of the four mixing systems ................................................................... 55 Tableau 4.2. Values of the Carreau-Yasuda parameters as a function of salt concentration ........ 58 Tableau 4.3. Mixing times for RT and water at Re = 7000 and Re = 21 000 ............................... 65 Tableau 4.4. Comparison between flow number values from the literature and the values of Nqg obtained in this study for RT, PBT and HP ............................................................................ 67 Tableau 4.5. Normalized global flow numbers for the Maxblend™, RT, PBT and HP impellers ................................................................................................................................................ 72 x LISTE DES FIGURES Figure 1.1. Exemple de mobile dispersif: Turbine Rushton à uploads/Geographie/ une-methode-experimentale-d-x27-evaluation-globale-du-pompage-d-x27-un-agitateur.pdf