Chapitre 2 Agitation Et Melange PDF [PDF]

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Chapitre 2 : Les différents mobiles d’agitation L’étude du mélange est essentielle pour réguler un procédé. Le mélange permet souvent de contrôler l’efficacité des réacteurs chimiques. C'est-à-dire qu’il permet de contrôler le transfert de masse, la réaction et ultérieurement les propriétés des produits désirés afin d’affecter le rendement, la qualité et les coûts de production des produits désirés. Il est donc important de mentionner quelques systèmes de mélange et comment ces derniers sont caractérisés avant de discuter des surfaces libres et de la formation des vortex. Plusieurs modes d’agitation, peuvent être rencontrés dans les domaines industriels ou de recherche. Ils sont très différents les uns par rapport aux autres : -

Les agitateurs mécaniques (rotatifs)

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Les agitateurs statiques

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Les agitateurs à cuve tournante (type bétonnière)

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Les agitateurs par propulsion de jet

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Les agitateurs ultra-sons.

I. Différents mode d’agitation I.1.Les agitateurs rotatifs Il existe deux types d’agitateurs rotatifs : - Agitateurs mécaniques Cette technique d’agitation est faite par un dispositif rotatif (le bras tourne à l’intérieur de la cuve et sur lui-même), le système d’agitation est de forme et de taille variables. Ils plongent au sein de la cuve qui contient les substances à mélanger. Pour améliorer l’efficacité du mélange, des chicanes peuvent être mise dans la cuve ou plusieurs hélices à différents niveaux. -Agitateurs magnétiques Elle est de loin la plus pratique et la plus simple à mettre en œuvre. On place un barreau magnétique recouvert d’un revêtement interne dans le mélange à agiter. Suivant les récipients, il existe différentes formes de barreaux : des barreaux simples pour les récipients à fond plat, en forme d’olive pour les ballons et en formes de croix pour les tubes à essai. Le barreau magnétique présent dans le milieu est entraîné par un aiment

tournant situé sous le récipient. On utilise le plus souvent des agitateurs magnétiques chauffant, permettant comme leur nom l’indique très clairement, de coupler l’agitation et le chauffage.

Fig. agitateur magnétique

I.2. Mélangeurs statiques Les mélangeurs statiques sont des obstacles fixes, plus ou moins hélicoïdaux, placés dans une conduite pour y mélanger les flux transversalement de manière systématique, en écoulement axial co-courant de type piston. Ils ne comportent pas de pièce mobile, mais la perte de charge qu’ils provoquent apporte l’énergie nécessaire au mélange. Des formes très variées sont proposées, plus ou moins ouvertes et complexes, plusieurs éléments sont souvent placés en série dans la conduite pour atteindre le degré de mélange souhaité.

Figure : mélangeurs statiques

I.3. Les mélangeurs ultra-sons Le filet fluide passe sur une lame qui vibre à des fréquences ultrasoniques. L’utilisation de ce type de mélangeur est répandue pour accélérer des réactions chimiques homogènes (liquides ou solides) ou hétérogènes (liquide-solide).

I.4. Mélangeur a jets (mélange par recirculation) Le mélange par jet permet d’améliorer le contact entre deux fluides et favoriser les échanges de chaleurs et de matière, ce mélange est utilisé pour des liquides ou des gaz. L’utilité de jet impactant dans les cuves agitées permet d’obtenir un excellent micromélange ; notamment lorsque les vitesses de jets sont comprises entre 2 et 5 m/s. Le mélange générer par jet est de type turbulent, le phénomène de mélange est d’autant plus favorisé que la turbulence est élevée dans la zone où les fluides se rencontre. La méthode consiste à recirculer pendant un certain temps les produits sur eux-mêmes. Une pompe les aspire à la base du réservoir et les refoule également à la base dans une tubulure simple ou munie d’un convergent intérieur qui projette le liquide à la façon d’un jet et provoque ainsi des courants favorables au mélange.

Fig. : Principe d’un mélangeur par jet dans une cuve de stockage. I.5. Mélangeur a cuve mobile Ces appareils sont des récipients clos qui tournent sur eux-mêmes et contiennent les produits à mélanger. Leurs formes très variables : cylindriques (peu efficace), cubique (très répondue), mélangeur à double cuve de forme de V.

Certains appareils pilotes ou de laboratoire permettent des mélanges plus rapides, grâce à un mouvement turbulent des récipients, les mélangeurs à cuve mobile ne peuvent être remplis qu’à 50% de leur volume total. Ils sont efficaces mais la durée de mélange doit être bien établie et respectée, sinon il y a un risque de démélange ou de mauvaise homogénéité.

Fig. Mélangeurs à cuve mobile

II Equipement d’un système mécaniquement agité II.1. Les cuves Les cuves utilisées dans les équipements d’un agitateur peuvent être de différentes formes selon l'application. Ce sont soit des récipients cylindriques à fond plat, soit des récipients cylindriques avec un fond rond et de forme rectangulaire comme le montre la figure ci-dessous. Les cuves à fond rond sont utilisées principalement pour l'agitation solide-liquide tandis que les cuves à fond plates servent mieux pour plusieurs types de fluides visqueux.

Fig. Cuves agitée :(a) cuve à fond plat ;(b) cuve à fond rond ; (c) cuve sphérique

II.2 Les chicanes Les chicanes sont des éléments importants dans les cuves agitées, ils améliorent l'efficacité du mélange et éliminent la formation des zones de vortex. Cependant ils augmentent les besoins en énergie dans la cuve de mélange. La présence des chicanes crée une circulation optimale du fluide dans la cuve. Ils peuvent être fixés sur la paroi de la cuve ou peut être réglée à partir du mur.

Figure : emplacement des chicanes dans la cuve

III. Les mobiles d’agitation Le dimensionnement d’un système d’agitation, et en particulier du mobile d’agitation est extrêmement complexe, étant donné la diversité des applications à remplir de façon simultanée (mise en circulation du fluide, homogénéisation des composants du fluide, transfert de matière, de chaleur et d’énergie) d’une part et les contraintes imposées. III.1. Caractéristiques hydrodynamiques d’un mobile d’agitation Les agitateurs ou les éléments mobiles sont les plus souvent centrés. C'est-à-dire que leurs axes sont confondus avec celui de la cuve. Ils sont classés suivant les flux des fluides qui sortent du volume balayé par l’agitation en rotation. Un agitateur doit assurer une action de pompage par écoulement axial, radial et tangentiel. III.1.1 Ecoulement Axiale : Mobiles à débit axial créent un mouvement de fluides dans la direction axiale (vers le haut ou vers le bas de la cuve). Ils génèrent une circulation importante de fluide en créant une seule boucle de circulation.

III.1.2 Ecoulement radial Ces mobiles fournissent un débit perpendiculaire à l’arbre d’agitation ils créent des effets cisaillement relativement importants. Le flux de liquide est expulsé depuis les pales du mobile vers les parois de la cuve et se devise en deux parties créent ainsi deux boucles de circulation qui se développent, l’une au-dessus du mobile, l’autre en dessous. Les turbines sont les principaux mobiles de types radiaux

III.1.3 Ecoulement Tangentielle Agitateur à mobile raclant développent un écoulement primaire essentiellement tangentielle. C'est-à-dire dans le sens de rotation du mobile ou le milieu tourne dans sa totalité autour de l’arbre d’agitation et jusqu'à la périphérie de la cuve. L’utilité de ce type d’agitateur est un grand d’intérêt pour les opérations de transfert de chaleurs pour les fluides très visqueux. Les mouvements réels du liquide dans la cuve résultent de la composante de ces trois mouvements principaux axial, radial et tangentiel.

Fig. Présentation schématique des types d’écoulements.

Le Tableau ci-dessous montre des exemples de turbines ainsi que leurs patrons d’écoulements associés.

Tableau : Exemples des patrons d’écoulement des agitateurs : Hélice, Turbine et Ancre

III.1.2. Les types de mobile d’agitation Selon les propriétés rhéologiques des milieux agités, deux grandes catégories de mobile d’agitation se distinguent : celles des fluides peu visqueux et celles des fluides très visqueux, pour s’adapter à chaque cas, différentes formes de mobiles sont utilisées. III.1.2.1. Les mobiles d’agitation pour les fluides très visqueux et pates Le mélange entre des fluides miscibles est gouverné par deux mécanismes, la convection de la quantité de mouvement résulte du mouvement de fluide sous l’effet de l’agitation, l’autre mécanisme est la diffusion moléculaire et turbulente. Les deux mécanismes existent toujours dans les systèmes d’agitation, même si l’un est prépondérant par rapport à l’autre. Tout dépend du régime d’écoulement imposé par l’agitation. Pour un fluide à

viscosité élevée la diffusion turbulente n’existe pas et la diffusion moléculaire est faible, donc les écoulements sont à caractère essentiellement convectif. Ces mécanismes d’écoulement expliquent la spécificité de la plupart des agitateurs utilisés pour ce type de fluide. C’est le mouvement qu’ils créent au sein du fluide, qui est directement responsable de l’efficacité de mélange donc il est intéressant que le fluide se trouve le plus souvent possible proche de l’agitateur. C’est pour cette raison que les agitateurs spécifiques aux fluides très visqueux balayent en général un volume très important. Ils occupent dans la plupart des cas toute la hauteur et leur diamètre est proche de celui de la cuve afin de mettre la zone proche de la paroi en mouvement. Les mobiles pour des fluides très visqueux dits de proximité sont trouvés particulièrement dans les industries chimiques (caoutchouc, plastiques, céramique, savon etc.) et dans les industries de produit alimentaire. Ils sont généralement conçus de sorte que l’agitateur traverse le volume entier à mélanger. On distingue deux grandes familles : -

Les agitateurs plans où l’écoulement engendré est tangentiel tels que : le bipale, ancre et barrière.

-

Les agitateurs hélicoïdaux où l’écoulement engendré est axial tels que : les vis hélicoïdales et les rubans hélicoïdaux.

III.1.2.1.1 Les agitateurs plans  Agitateur à ancre : les agitateurs à ancre sont utilisés particulièrement pour l’écoulement fortement visqueux de 10 à 100 Pa.s, dans des réactions de polymère et quelques processus dans les industries alimentaires. La majorité de ces mélangeurs ont des bras horizontaux qui suivent la forme de la cuve et des pales verticaux fixées aux extrémités des bras pour favoriser le mouvement vertical du mélange. Ils ont un diamètre de l’ordre de 0.95 à 0.98 du celui de la cuve. La largeur du bras peut varier de 0.05 à 0.10 du diamètre de l’ancre. Les vitesses périphériques sont généralement assez faibles(1 à 3 m.s-1).

Figure : agitateurs à ancre  Les agitateurs à barrières : sont constitués d’un ensemble de barres horizontales et verticales. Les vitesses de rotation sont généralement faibles pour réduire la consommation d’énergie. Ils sont souvent utilisés pour l’agitation de grandes cuves pour des opérations de traitement des eaux.

Figure : agitateur à barrière  Agitateur bipale : le bipale est la forme la plus simple. Il est généralement utilisé pour des agitations douces avec une vitesse des pales qui ne dépasse pas 3 m/s. Le rapport du diamètre de l’agitateur sur le diamètre de la cuve (d/D) est compris entre 0.3 et 0.9. Le rapport de la hauteur de l’agitateur sur le diamètre de la cuve (H/D) varie de 1/12 jusqu’à 1/3 pour un bipale classique. Lorsque le rapport (H/D) devient grand (voisin de 1), l’agitateur est du type cadre (ou feuille).

Figure : bipale classique

III.1.2.2 Les agitateurs hélicoïdaux Les rubans hélicoïdaux et les vis d’Archimède sont utilisés dans le mélange de fluides extrêmement visqueux, ils sont généralement utilisés pour des applications où les viscosités sont d'habitude 30.000 plus grands que MPa. Compte tenu du fait que ces derniers ont pour rôle de faire circuler le fluide à haute viscosité dans tout le volume de la cuve, leur profil d’écoulement est souvent majoritairement axial.

Figure : agitateur hélicoïdal

III.1.2.3. Malaxeurs horizontaux à pales sigma ou en Z Ces malaxeurs sont utilisés pour mélanger les produits de haute viscosité dont les comportements rhéologiques sont complexes. Ce type de dispositif présente une épaisse lame en forme de S ou de Z. Généralement ils sont disposés par paire dans le mélangeur et tournent en sens opposé à des vitesses différentes.

Figure : malaxeur horizontal à pale Z

III.1.3. Les mobiles d’agitation de fluides peu visqueux Pour les fluides dont la viscosité est inférieure à 10 poiseuilles, des agitateurs de type hélice ou turbine avec une petite surface peuvent convenir d’autant plus que la viscosité augmente, la surface de l’agitateur augmente. Nous entamons brièvement la description de deux familles d’agitateurs hélice, turbine, qui a une utilisation fréquente dans l’agitation des milieux peu visqueux. L’agitation de fluides peu visqueux dont la viscosité est inférieure à 10-2 Pa.s s’effectue à nombre de Reynolds élevé.  Les agitateurs Turbines Les turbines sont constituées de plusieurs pales, leur hauteur égale de 0.1 à 0.3 fois le diamètre, Ils génèrent des écoulements à refoulement radial caractérisé par un jet sortant de la pale et ils produisent un fort cisaillement dans le volume balayé par l’agitateur et déplacent beaucoup le fluide dans le reste de la cuve étant donne leur grande vitesse angulaire. Elles sont donc très souvent utilisées dès qu’il s’agit de fragmenter un fluide en bulles ou en gouttes. Leur efficacité diminue rapidement avec l’augmentation de la viscosité. Le modèle de base des pales plates dit turbine Rushton est caractérisé par : -

Le diamètre, souvent égal au tiers, sinon entre 1/5 et 2/3 du diamètre du réacteur

-

Le nombre de pales, le plus souvent égales à 6.

-

Les dimensions des pales rapportées au diamètre de la turbine, en particulier largeur entre 1/10 et 1/4 du diamètre de la turbine.

De très nombreuses variantes se distinguent par le nombre, la forme, l’inclinaison des pales, leur courbure ainsi que par la présence ou non d’un disque central. Les turbines exigent 10 à 20 fois plus d’énergie que les hélices.

Fig. : agitateur de type Turbine

 Les agitateurs à hélice L’hélice est composée de trois pales découpées en hélicoïde dont le pas est égal au diamètre. L’écoulement généré par ce type d’agitation est essentiellement à refoulement axial. Le fluide est refoulé en bas de la cuve puis il remonte verticalement le long des parois, ensuite il redescend. Pour empêcher la formation de vortex à la surface libre, des chicanes peuvent être collées sur la paroi de la cuve. L’hélice est caractérisée par son grand débit de pompage qui tend à diminuer lorsque la viscosité augmente. L’hélice est effective dans les fluides à faible viscosité inférieure à 5 Pa.s et à grande vitesse de rotation 500tr/min ≤N≤ 1500tr/min, le type le plus commun des hélices est le type marin.

Figure : hélice à trois pales

La viscosité du fluide à agiter est souvent un élément primordial du choix ; la figure cidessous indique les domaines d’utilisation des divers types de mobiles en fonction de la viscosité du fluide.

Fig.. Domaines d’utilisation des divers types de mobiles en fonction de la viscosité du fluide.

IV. Récapitulatif des aspects technologiques Une cuve d'agitation comporte : ✓ une cuve de forme et de fond variés ✓ un mobile

✓ un arbre sur lequel sera fixé le mobile : Il doit pouvoir résister aux sollicitations subies et présenter le moins possible un comportement vibratoire. Le choix du matériau, du diamètre et de l'épaisseur de l'arbre est un compromis entre la résistance mécanique (et chimique) d'une part, et la masse et le coût de l'arbre d'autre part. ✓ un système d'entraînement de l'ensemble arbre + mobile, comprenant un moteur

IV.1. Configuration des cuves Selon les applications, le mobile peut être implanté verticalement (figure a, c'est le cas le plus courant ; latéralement (figure b) ou en fond de cuve (figure c) pour le cas des très grands volumes.

Figure : implantation des mobiles d’agitation

Pour des applications spécifiques, on pourra être amené à utiliser plusieurs mobiles superposés (figure a ci-dessous), un système à double mouvement (figure b) ou encore un tube d'aspiration du ciel gazeux (figure c).

Figure: Dispositifs d'agitation spécifiques.