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