Étude expérimentale du mélange solide-liquide : caractérisation des suspensions concentrées en milieu visqueux

Ce mémoire présente une étude expérimentale du mélange solide-liquide en milieu visqueux et pour des concentrations élevées en solides, un système de mélange encore peu connu et responsable de fortes pertes industrielles. Le mélangeur est une cuve mécaniquement agitée par une turbine à pales inclinées, un agitateur fréquemment utilisé par les industries chimiques. Dans un objectif de compréhension hydrodynamique et phénoménologique, trois paramètres ont été caractérisés: la vitesse minimale de suspension complète (Njs), la vitesse d'homogénéisation (NH) et le temps d'homogénéisation (tH). La technique de pression de jauge (PGT) et la tomographie par résistance électrique (ERT) ont été implémentées pour la détermination respective de Njs et NH et tH. L'étude est complétée par la mesure du couple et de la hauteur de suspension, ainsi que par l'utilisation d'un modèle numérique développé dans le groupe. Tout d'abord, la méthode de pression de jauge a été adaptée avec succès aux régimes laminaire et transitoire, et montre une répétabilité et une stabilité adéquates. Un plan d'expérience optimal a permis d'évaluer l'effet de cinq facteurs majeurs sur l'hydrodynamique du mélange: le diamètre des particules (dp), la fraction massique de solides (Xw), la viscosité du fluide (μ), le diamètre de l'agitateur (D) et le dégagement au fond (C). En régime transitoire, comme en régime turbulent, Njs et NH diminuent pour de larges agitateurs. Les effets de dp et de μ montrent un comportement opposé à celui observé en turbulent puisque Njs diminue lorsque dp et μ augmentent. De plus, Xw présente un impact complexe, dépendant en partie de la taille des particules. Ces observations ont été associées à un phénomène d'érosion de lit dont le mécanisme diffère largement de la suspension en régime turbulent. Ces particularités expliquent les déviations observées avec les valeurs prédites par la corrélation de Zwietering (Zwietering, 1958). Tout comme pour D/T, les effets de Xw, dp et C/T sur NH sont équivalents à ceux rapportés en régime turbulent, puisque NH augmente lorsque Xw et dp augmentent, et lorsque C/T diminue. L'étude de tH démontre que l'obtention d'une suspension homogène à partir de particules sédimentées est majoritairement contrôlée par leur mise en suspension. La coopération entre caractérisation expérimentale et étude numérique a permis d'une part d'attester de la validité phénoménologique du modèle, et d'autre part d'apporter de nouveau éléments à la compréhension hydrodynamique du système étudié. Mots-clefs: mélange solide-liquide – fluide visqueux – suspensions concentrées – cuve mécaniquement agitée – vitesse minimale de suspension

Abstract

To address a considerable lack of knowledge in solid-liquid mixing, the suspension of large concentrations of spherical particles in a viscous fluid is investigated through the experimental characterization of fundamental mixing parameters: the just-suspension speed (Njs), the homogenization speed (NH) and the homogenization time (tH). Known for its great efficiency for suspending particles in turbulent regime, and commonly used in the chemical industry, the pitched blade turbine is investigated. Njs is characterized by the pressure gauge technique (PGT), NH and tH are measured using a robust and simple technique of electrical resistance tomography (ERT). The description of the system is further characterized by means of power consumption and cloud height measurements, and by comparing the experimental data to numerical results. First, the PGT method was successfully adapted to laminar and transitional regimes of operation, with good reproducibility and stability. To explore the effect of particle diameter (dp), solid mass concentration (Xw), viscosity (μ), impeller diameter (D) and bottom-off clearance (C), an optimal design of experiment was carried out, from which the effects of every factor was determined. In early transitional regime with non-dilute concentration of solid particles, an increase in D causes Njs and NH to considerably decrease, as also reported in turbulent regime. Unlike the prediction of the well-known Zwietering correlation (Zwietering, 1958), it is found that increasing dp or μ leads to a decrease of Njs. In addition, the effect of solid concentration is more complex than what is predicted by the Zwietering correlation, showing a dependency on dp. The large discrepancies observed between our experimental values and Zwietering correlation values of Njs are related to the differences in hydrodynamics and suspension mechanisms regarding the operating regime. The effects of dp and μ for solid suspensions in a viscous liquid appear to correspond to the erosion of a bed of particles. The impact of Xw, dp and C/T on NH are similar to those reported on turbulent regime. The study on the homogenization time tH shows that the erosion of the particle bed is the dominating phenomenon to consider in order to achieve a fully suspended state and an uniform distribution of the particles. Finally, the numerical model developed in our group is validated by comparison with experimental data, and is used to fully understand the mixing system investigated. Keywords: solid-liquid mixing - viscous fluid - high solid loading – stirred tank – just suspended speed