<  Back to the Polytechnique Montréal portal

Étude de l’hydrodynamique de fluides rhéologiquement complexes dans un mélangeur Maxblend® par vélocimétrie laser

André Fontaine

Masters thesis (2012)

[img]
Preview
Download (3MB)
Cite this document: Fontaine, A. (2012). Étude de l’hydrodynamique de fluides rhéologiquement complexes dans un mélangeur Maxblend® par vélocimétrie laser (Masters thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/812/
Show abstract Hide abstract

Abstract

Les fluides d’usage industriel présentent très souvent une rhéologie complexe qui a un impact significatif sur la performance des opérations unitaires en génie chimique. Dans le cas du mélange, l’hydrodynamique et la consommation de puissance dépendent fortement de la viscosité et du régime d’écoulement. L’élasticité et la rhéofluidifiance peuvent influer dramatiquement sur l’hydrodynamique. Afin de mieux connaître l’impact d’une rhéologie complexe sur le Maxblend®, qui est reconnu comme un système d’agitation industriel performant, l’écoulement de fluides rhéologiquement complexes a été étudié dans celui-ci. Le Maxblend est utilisé dans des procédés comportant des fluides rhéofluidifiants et viscoélastiques et, comme pour la majorité des systèmes d’agitation, peu d’information existe sur le comportement de ceux-ci en cuve agitée. Une étude expérimentale a été menée avec des fluides newtoniens et non-newtoniens en régime laminaire et de transition. Le fluide newtonien était des solutions diluées de glucose et le Stéol a servis de modèle de fluide très rhéofluidifiant. Un fluide non-newtonien élastique était composé de CMC et de glucose. Les expériences ont été réalisées dans une cuve contenant 35.4L muni d’un Maxblend de 255mm de diamètre et de deux chicanes. Les champs de vitesse ont été mesurés dans le but d’établir des liens entre l’hydrodynamique et la rhéologie. Une forte rhéofluidifiance (n < 0.3) et un comportement élastique rhéofluidifiant (n > 0.3) ont été étudiés. Le temps de relaxation du fluide viscoélastique était de dix fois supérieure au temps de relaxation du Stéol. Ceci a démontré une élasticité largement supérieure du fluide viscoélastique, ainsi le Stéol a été considéré inélastique dans cette étude. Les champs de vitesse ont été mesurés par vélocimétrie laser (Particle Image Velocimetry ou PIV) bidimensionnelle. Cent mesures se sont révélées suffisantes pour l’atteinte de la convergence des composantes de la vitesse pour chaque régime étudié. Le caractère laiteux de la solution de CMC a été contourné en ajoutant une forte concentration de glucose au solvant. L’observation des champs de vitesses très rhéofluidifiants a révélé la présence de zones ségrégées qui ont été confirmées par la méthode de décoloration. En régime laminaire, l’élasticité a provoqué le renversement du patron d’écoulement et une rotation plutôt solide dans le bas de la cuve. Il a été observé que l’amplitude et la largeur de la distribution des vitesses étaient réduites par la présence de forces élastiques. L’augmentation de la consommation de puissance avec un fluide viscoélastique a été imputée à son caractère élastique. L’analyse de pompage bidimensionnelle obtenue à partir des résultats de la PIV pour un fluide newtonien a démontré l’existence de deux valeurs constantes du nombre de pompage, soit une en régime laminaire (Re < 10) et une en début de transition (Re ≈ 100).------------ Industrial fluids often exhibit complex rheology, which has a significant impact on the performance of unit operations in chemical engineering. In mixing, hydrodynamics and power draw are highly dependent on both viscosity and flow regime. Added effects of shear-thinning and elasticity can dramatically affect fluid dynamics. To better understand the impact of rheologically complex fluids on the Maxblend®, an effective industrial mixer, the dynamics of rheologically complex fluids were studied. The Maxblend mixer is used in processes involving shear-thinning viscoelastic fluids and, as for many impellers, little has been published regarding this rheological behaviour. An experimental study was carried out using Newtonian and non-Newtonian fluids in laminar and early transitional regimes. Diluted glucose fluids where used for the Newtonian model and Steol was used for the highly shear-thinning model. A non-Newtonian elastic fluid was composed of CMC and glucose. The experimental setup consisted of a 35.4-litre tank equipped with two baffles and a 255-mm Maxblend impeller. Flow fields were measured in order to evaluate the effects of high shear-thinning (n < 0.3) and elastic shear-thinning behaviour on hydrodynamics (n > 0.3) and relate hydrodynamics and rheology. The measured relaxation times revealed different amounts of elasticity between the highly shear-thinning and the viscoelastic fluids, to a point that the highly shear-thinning was considered inelastic for the purpose of this study. Flow fields were measured by two-dimensional particle image velocimetry (PIV). A total of 100 measurements proved to be sufficient in order to reach convergence of the velocity components for all studied regimes. The turbidity of the aqueous CMC solution was eliminated by adding glucose to the solvent. Isolated zones in the highly shear-thinning case were confirmed by the discoloration technique. Elasticity in the laminar regime produced a reversal of the flow field and a solid body rotation in the bottom region of the tank. Fluid velocity magnitude and spread were observed to be reduced by elastic forces. Elasticity was shown to raise the power draw for the viscoelastic fluid. Two-dimensional pumping number analysis calculated from PIV results showed a constant value in laminar regime (Re < 10) and another constant value in the transitional regime (Re ≈ 100).

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie chimique
Dissertation/thesis director: François Bertrand and Louis Fradette
Date Deposited: 09 Jul 2012 14:40
Last Modified: 27 Jun 2019 16:49
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/812/

Statistics

Total downloads

Downloads per month in the last year

Origin of downloads

Repository Staff Only