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

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).