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20/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour Toute reproduction sans autorisat

20/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour 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 3 861 − 1 Mélange des milieux pâteux de rhéologie complexe : pratique par Hervé DESPLANCHES Ingénieur de l’École supérieure de chimie de Marseille Docteur ès Sciences Professeur de génie des procédés à l’ENSSPICAM (École Nationale Supérieure de Synthèses, de Procédés et d’Ingénierie Chimiques d’Aix-Marseille) et Jean-Louis CHEVALIER Ingénieur de l’École supérieure de chimie de Marseille Docteur ès Sciences Professeur Émérite de génie des procédés à l’ENSSPICAM es principaux types de mélangeurs sont décrits dans le premier paragraphe : en premier lieu, les discontinus sans revenir sur les cuves agitées par mobi- les de proximité déjà décrites dans la partie théorique , puis les continus, notam- ment les appareils statiques pour lesquels certaines corrélations de performance sont disponibles. Dans le deuxième paragraphe, deux exemples de calculs numériques de mélangeurs sont présentés : le premier concerne un réacteur équipé d’un mobile hélicoïdal, système pour lequel les nombreuses informa- tions scientiﬁques publiées sont utilisées et critiquées ; dans le second cas, il s’agit de mélangeurs statiques continus pour lesquels on ne dispose que des corrélations fournies par les équipementiers. Dans le dernier paragraphe sont rassemblées quelques notions concernant l’environnement du mélangeur : ali- mentation, vidange et aspects sécurité. 1. Principaux types d’appareillages ........................................................ J 3 861 - 2 1.1 Mélangeurs en discontinu .......................................................................... — 3 1.2 Mélangeurs horizontaux en continu .......................................................... — 5 2. Exemples de calculs d’installations de mélange ............................ — 7 2.1 Cuve avec mobile de proximité fonctionnant en discontinu ................... — 7 2.1.1 Calcul de la vitesse de rotation du ruban hélicoïdal........................ — 7 2.1.2 Nombre de Reynolds de l’agitateur .................................................. — 7 2.1.3 Puissance d’agitation et couple nécessaire...................................... — 8 2.1.4 Comparaison des performances du double ruban hélicoïdal et de l’ancre (d/D = 0,95 ; l /d = 0,1 ; ha /d = 1) donnant le même temps de mélange.............................................................................. — 8 2.1.5 Calcul de la capacité nette volumique de refroidissement du réacteur pourvu d’un double ruban hélicoïdal (h A ∆T − P)/V... — 9 2.1.6 Extrapolation du réacteur agité par ruban hélicoïdal de 0,78 m3 à 12 m3................................................................................................. — 10 2.2 Calcul de mélangeurs statiques continus.................................................. — 10 3. Environnement du mélangeur .............................................................. — 12 3.1 Alimentation et vidange du produit pâteux .............................................. — 12 3.2 Aspect sécurité............................................................................................. — 12 3.2.1 Précautions au montage et durant les opérations d’entretien ....... — 13 3.2.2 Règles liées à la mise en œuvre d’un matériau pulvérulent........... — 13 3.2.3 Règles liées à la mise en œuvre d’un solvant.................................. — 13 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. J 3 862 L 20/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour MÉLANGE DES MILIEUX PÂTEUX DE RHÉOLOGIE COMPLEXE : PRATIQUE __________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. J 3 861 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés Notations et symboles Symbole Définition Il ne s’agit que des symboles qui n’ont pas été définis en [J 3 860] At aire totale d’échange (latérale et fond) c1, c2, c3, c4 constantes, tableau 2 dc diamètre de la conduite, équation (1) Eff efficacité, tableau 1 Fe facteur d’échelle Fe = D2/D1 hc coefficient de transmission thermique paroi-liquide caloporteur K1, K2 constantes de consommation de puissance d’un agitateur en ligne, équation (1) KMS constante de la loi de perte de charge d’un mélangeur statique, équation (2) K1 pseudo-constante de Metzner et Otto définie par Blasinski L longueur d’une conduite vide, équation (2) Lm longueur nécessaire à une homogénéisation donnée, tableau 1 LMS longueur du mélangeur statique, équations (4) et (5) PMS puissance de pompage consommée par un mélangeur statique, équation (3) Ptot puissance totale consommée par un mélangeur dynamique en ligne, équation (1) ∆p0 perte de charge dans une conduite vide ∆pMS perte de charge dans une conduite équipée d’un mélangeur statique, équation (2) Q débit volumique circulant dans un mélangeur statique, équation (2) Rc résistance thermique paroi-fluide caloporteur Tc1 température d’entrée du fluide caloporteur dans la double enveloppe ∆T différence de température liquide de procédé-double enveloppe v vitesse moyenne du liquide dans un mélangeur continu horizontal voc vitesse moyenne du liquide dans la conduite vide vp vitesse périphérique en bout de pale d’un mobile d’agitation ηet viscosité effective d’une pâte non newtonienne dans un tube Nombres sans dimension NuMS nombre de Nusselt d’un mélange statique : NuMS = h dc/λ, équations (4) et (5) Pe nombre de Péclet thermique pour un mélangeur statique Pe = 4 ρQ/πη dc = Re0 Pr Re0 nombre de Reynolds dans la conduite vide Re0 = ρ voc/ηet dc 1. Principaux types d’appareillages Les exigences des procédés, comprenant des opérations difﬁciles et devant aboutir à de nouveaux produits de rhéologie non classi- que à propriétés d’usage imposées, ont conduit les équipementiers à proposer des mobiles ou des systèmes compacts d’agitation- mélange de plus en plus complexes à fonctions multiples ou concer- nant des secteurs industriels particuliers. Ces appareillages spéciﬁques n’ont pas fait l’objet de publications scientiﬁques nombreuses que l’on peut confronter comme dans le cas des agitateurs de proximité analysés dans la partie théorique [J 3 860]. Aussi est-il difﬁcile de comparer leurs performances selon des critères objectifs car on ne dispose souvent que des brochures technico-commerciales des fabricants. Sont distingués arbitraire- ment les mélangeurs discontinus, généralement verticaux, des sys- tèmes horizontaux fonctionnant en ligne. 20/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour _________________________________________________________________________ MÉLANGE DES MILIEUX PÂTEUX DE RHÉOLOGIE COMPLEXE : PRATIQUE 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 3 861 − 3 1.1 Mélangeurs en discontinu En dehors des agitateurs de proximité présentés dans la pre- mière partie [J 3 860] (ﬁgure 1), d’autres mélangeurs s’apparentent encore aux appareils de type cuve agitée et sont utilisables tant que la viscosité effective reste inférieure à quelques milliers de Pa · s. Les milieux pâteux inhibant le transfert de quantité de mouvement, notamment quand ils sont rhéoﬂuidiﬁants et/ou viscoélastiques, ces systèmes tentent de pallier ces défauts en agitant les zones pariéta- les (proches de la paroi) et le cœur de la cuve. Ainsi, plusieurs fabricants proposent des mobiles de forme plus ou moins compliquée − du type pales ou ancres modiﬁées − bras- sant l’ensemble du liquide (agitateurs -grilles, -herses ou -barrières dont les pièces verticales peuvent aussi être ﬁxes puisqu’il ne s’agit que de bloquer le mouvement tangentiel, ﬁgure 2). On peut toutefois se demander s’il n’est pas plus rationnel d’utili- ser, si la viscosité le permet, des mobiles d’homogénéisation efﬁca- ces, comme les rubans hélicoïdaux ou les vis d’Archimède avec conduite forcée, plutôt que d’améliorer les performances d’agita- teurs médiocres. I Mélangeurs à double mouvement Ils tentent de combiner l’action de deux types d’agitateurs qui sont solidaires ou bien découplés et qui peuvent tourner alors en sens inverse (ancres/cadres−turbines axiales, par exemple) (ﬁgure 3). Les agitateurs à contre-mouvement s’avèrent intéressants pour les réacteurs de grand volume dans lesquels la viscosité varie et peut croître fortement avec effets thermiques importants (polyméri- sations). Cet avantage ne doit pas faire oublier qu’il est impossible d’optimiser les caractéristiques géométriques et opératoires, pour obtenir l’action la plus efﬁcace, de deux types de mobiles agissant simultanément. I Mélangeurs à larges turbines en fond de cuves cylindriques, coniques ou sphériques I Le mobile balaye le fond de la cuve ; le milieu pâteux remonte le long de la paroi en hélicoïde puis redescend suivant l’axe. Le mélan- geur de forme sphérique est le plus approprié pour les pâtes non newtoniennes très visqueuses (ηe > 100 Pa · s). Figure 1 – Principaux types de mobiles de proximité [5] c ruban hélicoïdal simple avec vis d'Archimède sur l'axe d ancre a double ruban hélicoïdal b vis d'Archimède Figure 2 – Agitateurs spéciﬁques [66] Figure 3 – Mélangeurs à double mouvement (doc. Staro) a agitateur-grille b agitateur-herse a mobiles couplés b mobiles découplés 20/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour MÉLANGE DES MILIEUX PÂTEUX DE RHÉOLOGIE COMPLEXE : PRATIQUE __________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. J 3 861 − 4 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés Ce matériel destiné aux opérations difﬁciles assure un mélange rapide, mais au prix d’une consommation énergique très élevée (15 < P/V < 50 kW/m3). La ﬁgure 4 est un exemple de ce type de mélangeur. I Mélangeurs planétaires Dans ces systèmes (ﬁgure 5), le mouvement est également dou- ble puisque l’arbre du mobile suit lui-même un mouvement plus ou moins complexe autour de l’axe de la cuve ; en général, il s’agit d’une rotation à proximité de la paroi. Particulièrement adaptés pour pétrir et mélanger des pâtes non-newtoniennes dont la visco- sité effective peut atteindre 5 000 Pa · s, ces systèmes peuvent mélanger un volume généralement limité à 1 m3 et nécessitent une puissance installée d’au moins 4 kW/m3. Toutes les formes de mobi- les sont disponibles en fonction du uploads/Industriel/ melange-des-milieux-pateux-de-rheologie-complexe-pratique-herve-desplanches.pdf