Investigation on the Mixing Performance in a Superblend Coaxial Mixer

Le mélange est une opération unitaire très courante dans les procédés industriels qui trouve son application dans divers domaines tels que la dispersion de liquides, la suspension de solides, les réactions chimiques (polymérisation, fermentation…) et d'autres applications. Par ailleurs, dans beaucoup de cas impliquant des systèmes monophasique ou multiphasique, d'importantes variations de la viscosité peuvent être observées durant le procédé en raison des comportements rhéologiques complexes des systèmes mis en jeu. Cela se traduit notamment par une très grande déviation par rapport aux principes considérés lors de la conception d'un mélangeur standard. Ainsi, le choix d'un type de mélangeur pouvant assurer une efficacité élevée tout au long du procédé peut être une opération relativement complexe nécessitant beaucoup d'innovation. Dans cette optique, différents types de mélangeurs ont été considérés dont le mélangeur coaxial « Superblend » qui a donné les résultats extrêmement prometteurs. Ce mélangeur se compose de deux agitateurs : Un ruban hélicoïdal et un Maxblend. Ainsi, grâce à cette combinaison, différentes conditions de fonctionnement peuvent être considérées dans un seul récipient pour faire face aux problèmes liés aux comportements rhéologiques complexes des fluides mis en jeu. Ayant pour objectif d'apporter plus de compréhension des performances de mélange, des principes de conception et des lignes directrices des opérations de scale up de ce type de mélangeur, une caractérisation complète de l'hydrodynamique du Superblend a été réalisé en considérant des fluides Newtonien et non-Newtoniens dans des systèmes monophasique ou multiphasique. Les résultats obtenus ont montré que le champ d'écoulement, les performances de mélange en termes de puissance consommée et de temps de mélange ainsi que la contribution de chaque agitateur dépendaient fortement du comportement rhéologique, de la taille des particules et de leur concentration dans les suspensions de solides, du rapport de vitesse des agitateurs ainsi que du mode de rotation. La vitesse caractéristique proposée par Farhat et al. (2008) pour les mélangeurs coaxiaux a notamment été appliquée à d'autres mélangeurs multi-arbres qui n'ont pas été considérés dans les précédents travaux et le domaine d'application et limitations ont été discutés. Ainsi, en comparant les résultats avec les données disponibles, la puissance consommée, le temps de mélange et l'énergie de mélange de différents types de mélangeurs ont été présentés et une approche globale pour prédire la puissance consommée des mélangeurs multi-arbre a été proposée. En conclusion, il a été trouvé que le Superblend surclassait tous les autres mélangeurs en termes de temps et d'énergie de mélange.

Abstract

Mixing is a ubiquitous unit operation in the process industries with numerous applications in reaction (polymerization, fermentation), distribution of solids and liquids, and blending (manufacturing of formulated products). In many cases of single-phase and multi-phase systems, widely and rapidly varying viscosities over the processing time occur along with the development of complex rheological behaviors. Since there is a huge gap between the design principle of the standard mixing approach and the mixing mechanism in rheologically complex systems, the resulting mixing inefficiencies have roused the innovations in mixer design and optimization. Among a variety of equipments and geometries designed to fill this gap, a recently emerged mixer concept Superblend coaxial mixer is one of the very promising candidates. Superblend coaxial mixer consists of two impellers: a helical ribbon as outer impeller and a Maxblend impeller as inner impeller. This combination allows a synergy between impeller geometries in different operating conditions in a single vessel to tackle the problems in rheologically complex mixing. Aiming at providing comprehensive scientific information on mixing performance, process design principles and scale-up guidelines, a full characterization of the single-phase and multiphase hydrodynamics in the Superblend mixer with both Newtonian and non-Newtonian fluids was carried out. Results exhibited that various experimental parameters such as rheological behavior, particle size and concentration, speed ratio and rotating mode have significant influence on the mixing performance in terms of flow pattern, power consumption, mixing time and evolution, contribution of each impeller and the optimal operating conditions. New definition of characteristic speed proposed by Farhat et al. (2008) for coaxial mixers were extended to some other multi-shaft mixers not considered in previous works, and the applicability and limitations were discussed. Based on the comparison and analysis of existing resource, the power consumption, mixing time and mixing energy of different mixers were presented and a general approach to predict the power consumption in multi-shaft mixer was introduced. The Superblend mixer outperforms all the other mixers from the perspective of mixing time and mixing energy despite the lack of power-efficiency.