Mixing Studies in a Co-Kneader

Le mélange est une opération de base très utilisée dans plusieurs industries y compris celles du pétrole, des polymères, pharmaceutique, alimentaire, agricole, etc. Jusqu'à ce jour, les connaissances sur cette opération peuvent être encore considérées comme un art plutôt que basées sur des preuves scientifiques. Ainsi, de nombreux dispositifs de mélange utilisés dans la pratique industrielle sont toujours conçus et opérés en suivant une approche d'essai-erreur. Cela est aussi le cas des extrudeuses à vis. Toutefois, dans un environnement très concurrentiel où il y a une demande croissante de produits et procédés qui soient fonctionnels et innovateurs, la production de connaissances fondamentales sur la performance des outils de mélange comme le Co-Kneader doit être considéré comme un facteur clé. Le Co-Kneader est une extrudeuse monovis modifiée. La vis à filet interrompu fait un mouvement de va-et-vient. En plus, le fourreau a des doigts de malaxage fixés à l'intérieur. La combinaison du mouvement réciproquant avec la présence des doigts de malaxage cause une action autonettoyante qui ne se trouve pas sur d'autres extrudeuses monovis. La vis du Co-Kneader est formée par des éléments interchangeables, ce qui donne la souplesse nécessaire pour modifier la configuration de la vis en fonction de l'application. Une description fiable des mécanismes d'écoulement et de mélange dans le Co-Kneader est nécessaire afin de pouvoir évaluer les possibilités et les limites de cet outil de mélange. Ainsi, des descripteurs hydrodynamiques tels que patrons d'écoulement, profils de pression, efficacité de mélange et distribution des temps de séjour entre autres, ont été étudiés. La stratégie suivie dans cette étude a été d'abord de comprendre la performance du Co-Kneader d'un point de vue macromélange (c'est-à-dire, cause-effet des principales variables d'opération), puis examiner les mécanismes responsables de celui-ci. Une double approche méthodologique associée à cette stratégie a été mise en œuvre. Elle a comporté une partie expérimentale et une partie de modélisation de l'écoulement par dynamique des fluides numérique (CFD). Un Co-Kneader transparent à l'échelle laboratoire a été spécialement conçu et construit pour les besoins de ce travail. Le fluide modèle utilisé est une solution aqueuse de sirop de maïs avec une viscosité newtonienne de 0.2 Pa∙s. Les patrons d'écoulement ont été déterminés en suivant un traceur par une technique de décoloration rapide avec analyse d'images. La distribution de temps de séjour (DTS) a été estimée à partir des changements de conductivité produits par l'injection d'un traceur par impulsion. Le développent de la pression le long de la vis a été mesurée en utilisant des manomètres à tube ouvert placés près de l'entrée et à la sortie du système. La prédiction numérique du champ d'écoulement tridimensionnel non-stationnaire a été obtenue en résolvant les équations incompressibles de Navier-Stokes avec une méthode d'éléments finis. L'élément tétraédrique à 5-nœuds P1 +-P1 (MINI) a été utilisé pour calculer la vitesse et la pression. Il a été constaté que la technique d'analyse d'images, pour la première fois appliquée à des systèmes en continus, donne un nouvel aperçu sur le mécanisme de mélange du Co-Kneader. Aussi elle peut être utilisée comme une méthode expérimentale simple afin de quantifier le degré de mélange vers l'arrière (backmixing). La DTS a été utilisée pour obtenir des coefficients de dispersion axiale. Dans un système entièrement rempli, le coefficient de dispersion augmente avec le débit et la vitesse de rotation de la vis. En outre, les doigts de malaxage et les interruptions dans le filet de la vis produisent des temps de séjour uniformément distribués autour de la moyenne. L'analyse de la distribution de longueur de trajectoires (DLT) montre que l'élément de mélange engendre un mélange axial tandis que l'élément de transport mélange dans la direction en aval du chenal de la vis (down-channel). Les résultats obtenus par CFD ont été validés par des résultats de pression expérimentale, démontrant être en accord. Les résultats de CFD suggèrent que les doigts de malaxage promeuvent des écoulements extensionnels dans les canaux de la vis. Les résultats présentés incluent des courbes caractéristiques adimensionnelles pour chaque type d'élément de vis, des coefficients d'efficacité extensionnelle, et pour la première fois une caractérisation du taux de cisaillement. Les résultats expérimentaux et de CFD présentés dans ce travail suggèrent clairement que le Co-Kneader peut être mieux conçu et opéré.

Abstract

Mixing is a common basic operation in several industries including petroleum, polymer pharmaceutical, food, agriculture, etc. Up to the present day, our knowledge on this operation can still be considered more as an art rather than hard based scientific evidence. Thus, many mixing devices used in industrial practice are still being designed and operated following a trial-and-error approach and this is also the case of screw extruders. However, in a highly competitive environment where there is an increasing demand for more functional and innovative products and processes, generation of basic knowledge on the performance of mixing devices such as the Co-Kneader should be considered a key driver. The Co-Kneader is a modified single screw extruder that has an oscillatory screw with sliced flights fitted into a barrel that has stationary pins. The combination of the reciprocating movement and the presence of the pins results in a self-wiping action not found on others single screw extruders. Interchangeable screw elements give the flexibility to change the screw configuration depending on the application. To obtain a reliable description of the flow mechanisms and mixing in the Co-Kneader in order to assess the opportunities and limitations of this mixer, hydrodynamic descriptors like flow patterns, pressure drop, mixing efficiency and residence time distribution among others were studied. The strategy followed in this study was first to understand the Co-Kneader performance from a macromixing perspective (i.e., cause-effect of main operational variables) followed by digging into the mechanisms responsible of it. A dual methodological approach associated to this strategy was implemented; experimental and computational fluid dynamics (CFD). A transparent lab-scale modular Co-Kneader was specially designed and built for the purposes of this work. The model fluid was an aqueous solution of corn syrup with a Newtonian viscosity of 0.2 Pa∙s. Flow patterns were determined by following a tracer pathway combining a fast discoloration technique with image analysis. Residence Time Distribution (RTD) was estimated from a stimulus response technique based upon changes in conductivity after adding a tracer. The pressure build up along the screw was measured using open tube manometers placed near the inlet and at the exit of the system. The numerical prediction of the unsteady three-dimensional flow field was obtained by solving the incompressible Navier-Stokes equations with a finite element method. The 5-node P1+-P1 (MINI) tetrahedral element was used to approximate the velocity and the pressure. It has been found that the image analysis technique, for the first time applied to continuous systems, gives new insight into the mixing mechanism of the Co-Kneader and may be used as a simple experimental method to quantify the degree of backmixing. RTD have been used to obtain axial dispersion coefficients. In a fully filled system, the dispersion coefficient increases with the flow rate and the screw speed. Furthermore, the pins and the slices in the screw generate evenly distributed residence times. Trajectory length distribution (TLD) analysis show that the mixing element yields axial mixing whereas the conveying element causes down-channel mixing. CFD results were first validated by means of experimental pressure vs. flow rate characteristic curves. The CFD results were found to be in good agreement with the experimental results. CFD results suggest that the pins in the barrel promote extensional flows in the screw channel. The presented results include dimensionless characteristic curves for each type of element, extensional efficiency coefficients, and for the first time a shear rate characterization. The combination of experimental and CFD original results from this work clearly suggest that the Co-Kneader can be better designed and operated.