Développement de méthodes basées sur des mesures de pression pour la caractérisation de mélanges non-réactifs solide-liquide en cuve agitée

Le mélange solide-liquide est un procédé fortement utilisé en industrie. Couramment, il consiste en une cuve mécaniquement agitée par une turbine, soit à pales inclinées, soit Rushton ou soit hydrofoils. Malgré cet usage fréquemment retrouvé en industrie, un montage alternatif peut augmenter l'efficacité du système. Par exemple, l'agitateur raclant, initialement conçu pour des mélanges hautement visqueux, peut s'avérer avantageux pour le mélange solide-liquide. Ce travail de maîtrise a pour objectif de développer une méthode permettant de caractériser un système utilisant un agitateur raclant, le ruban hélicoïdal spécifiquement, pour la suspension de particules solides non-diluées en régimes d'écoulement laminaire et transitoire. Le paramètre d'intérêt dans ce cas-ci est la vitesse minimale de suspension complète (Njs). Celle-ci est définie comme étant la vitesse minimale à laquelle toutes particules sont en suspension. La technique de pression de jauge (« Pressure Gauge Technique », PGT) est une méthode pour la détermination de Njs basée sur des mesures de pression. Elle a initialement été développée pour l'utilisation d'agitateurs axiaux ou radiaux en milieu turbulent. Pour appliquer cette méthode au système présenté dans ce travail, quelques modifications doivent être effectuées, notamment en lien avec l'isolement de la pression dynamique de la pression totale. Ainsi, la méthode développée a pour fonction de mesurer Njs pour le montage spécifié. Divers facteurs sont à l'étude afin de valider le fonctionnement de la méthode : le diamètre des particules d_p, la fraction volumique des particules X_VS et la viscosité du liquide μ_L. Après l'obtention de résultats préliminaires, deux nouvelles méthodes basées sur des mesures de pression ont été développées : la méthode de la différence de pression et la méthode de sédimentation. Leur fonctionnement implique qu'elles doivent être utilisées en tandem. La première estime une plage de vitesses où pourrait potentiellement se trouver Njs. La deuxième, en utilisant les résultats de la première méthode, donne une valeur plus précise de Njs. Des résultats obtenus, il est possible d'observer certaines tendances des effets des facteurs étudiés sur le système de mélange. Ce qui est conclu, est qu'une augmentation de la valeur de chacun des facteurs résulte en l'augmentation de Njs. Il est cependant impraticable de déterminer une relation spécifique entre les résultats obtenus et le système de mélange étant donné le nombre limité d'observations recueillies. Enfin, en développant ces deux méthodes basées sur des mesures de pression, il est désormais possible de déterminer Njs pour un système de mélange qui suspend une concentration non-diluée de particules solides en régime laminaire ou transitoire avec un agitateur raclant. Mots-clefs : mélange solide-liquide – fluide visqueux – suspensions non-diluées – cuve mécaniquement agitée – vitesse minimale de suspension complète – sédimentation

Abstract

Solid-liquid mixing is a process frequently used in industry. It is often accomplished by using a mechanically agitated vessel equipped with a turbine, either pitched-blade, Rushton or hydrofoil. Despite the wide range use of this technic, alternative setups could increase general efficiency. For example, the close-clearance impeller, initially used for high viscosity mixes, could be advantageous for solid-liquid mixing. The objective of the present study is to develop a novel method leading to the characterization of a mixing system that is agitated by means of a close-clearance impeller, the helical ribbon, to suspend non-dilute solid particles in laminar and transitional flow regimes. The parameter of interest in this study is the just-suspended speed (Njs). It is defined as being the minimal speed at which all particles are suspended. The Pressure Gauge Technique (PGT) is a pressure based method used for the determination of Njs. It was initially developed for the use of axial and radial flow impellers in the turbulent regime. To apply this method to the presented system, certain modifications must be made, notably with regards to the isolation of the dynamic pressure from the total pressure. In this manner, the function of the developed method is to measure Njs for the studied system. Different factors are studied to validate the developed method: the particle diameter d_p, the volumetric fraction of particles X_VS and the liquid viscosity μ_L. After obtaining preliminary results, two novel pressure based methods were developed: the pressure difference method and the sedimentation-based method. Their functionality requires that they work in tandem. The first of the two, estimates a range of speeds that could potentially contain Njs. The second, by using the results of the first method, measures a more accurate value of Njs. From there, it is possible to identify certain effects of specific factors on the mixing system. What is concluded is that the increase in value of each factor results in the increase of Njs. On the other hand, it is unfeasible to determine a specific relation between the experimental results and the mixing system given the limited amount of observations. Finally, by developing these two pressure based methods, it is now possible to determine Njs for a mixing system which suspends a non-dilute concentration of particles in laminar and transitional regimes with a close-clearance impeller. Keywords: solid-liquid mixing – viscous fluids – non-dilute suspensions – mechanically agitated vessel – just-suspended speed – sedimentation