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RÉSUMÉ
Cet article présente trois exemples de calculs qui illustrent les principes et phénomènes de bases de l'agitation des systèmes diphasiques. Les deux premiers exemples concernent des cuves agitées mécaniquement pour réaliser une suspension de particules solides au sein de la cuve afin d' obtenir une émulsion de gouttelettes de taille donnée. Les calculs proposés montrent l'influence de divers paramètres liés soit à l'agitateur, soit aux propriétés des phases, sur la détermination de la vitesse de l'agitateur, de la puissance dissipée et du coefficient de transfert de matière. Des exemples d'extrapolation de résultats à des échelles plus grandes sont également discutés. Le troisième exemple concerne une estimation du temps de dissolution de particules solides dans une cuve agitée.
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Michel ROUSTAN : Professeur émérite de génie des procédés, INSA Toulouse, France
INTRODUCTION
Les cuves agitées mécaniquement sont largement utilisées dans les industries de transformation de la matière pour réaliser les mélanges de phases non miscibles. La description des phénomènes et principes de base des systèmes multiphasiques (liquide-liquide, liquide-solide, gaz-liquide) a été réalisée dans l'article [J 3 801]. L'objectif de cet article est de proposer plusieurs exemples de calculs qui illustrent les concepts de bases précédemment décrits.
Les deux premiers exemples concernent l'agitation des systèmes liquide-solide et liquide-liquide. Il faut tout d'abord bien déterminer le but de l'agitation. Pour les systèmes liquide-solide, c'est maintenir en suspension des particules solides au sein de la cuve. Pour les systèmes liquide-liquide, c'est obtenir une dispersion de gouttelettes de diamètre déterminé. Ensuite, il s'agit de déterminer par le calcul les conditions opératoires du système d'agitation caractérisées par la vitesse de l'agitateur et la puissance dissipée.
Le ou les agitateurs les mieux adaptés à l'opération de mélange souhaitée ayant été sélectionnés, les calculs proposés montrent l'influence des divers paramètres sur les conditions de maintien en suspension ou d'obtention d'une émulsion de taille fixée. Par exemple, pour les systèmes liquide-liquide, le rôle primordial de la tension interfaciale est bien montré. L'aspect transfert de matière est abordé à travers le calcul des valeurs des coefficients de transfert de matière. Les approches théoriques permettent également de choisir l'invariant dans le cas d'extrapolation à grande échelle de systèmes géométriquement semblables.
Le troisième exemple concerne l'estimation du temps de dissolution de particules solides au sein d'une cuve agitée. Elle est basée sur l'écriture d'un bilan de matière établi en régime non permanent. Une solution analytique est proposée pour des conditions particulières.
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Détermination du temps de dissolution de particules solides
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2. Exemple de calculs pour des systèmes d'agitation liquide-liquide
La création d'une émulsion liquide-liquide dans une cuve agitée mécaniquement est facilitée par l'utilisation d'un agitateur de type radial qui induit un fort cisaillement au sein de la phase liquide mais également une bonne circulation des phases au sein de la cuve pour maintenir l'émulsion en l'état et éviter la coalescence des gouttes . Parmi les agitateurs les plus utilisés, on peut citer les turbines radiales avec ou sans disque (par exemple la turbine Ruhston), les rotors-stators (couplés à un agitateur créant de la circulation). Parfois, des turbines à pales inclinées ou des hélices peuvent être utilisées mais le choix va dépendre de la taille des gouttes à obtenir. Le tableau 6 indique le type d'agitateur en fonction du type d'émulsions à obtenir.
Concernant la géométrie du système d'agitation, il est recommandé pour les turbines radiales les rapports suivants :
Dans les systèmes liquide-liquide, le nombre de Weber de l'agitateur joue un rôle important :
avec :
- σ :
- tension superficielle.
Conditions opératoires
On considère une cuve agitée standard (diamètre T = 0,60 m)...
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Exemple de calculs pour des systèmes d'agitation liquide-liquide
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - POUX (M.), XUEREB (C.) - Agitation des systèmes diphasiques. - [J 3 801] (2014).
-
(2) - ROUSTAN (M.) - Agitation Mélange – Caractéristiques des mobiles d'agitation. - [J 3 802] (2005).
-
(3) - AYRANCI (I.), KRESTA (S.) - Design rules for suspending concentrated mixtures of solids in stirred tanks. - ChER& D, 89(10), p. 1961-1971 (2011).
-
(4) - NIENOW (A.W.) - Mixing in the process Industries. - Butterworths, London (1985).
-
(5) - COUDERC (J.P.), GOURDON (C.), LINE (A.) - Phénomènes de transfert en génie des procédés. - Tec. & Doc., Lavoisier (2008).
-
(6) - BARKER (J.J.), TREYBAL (R.E.) - Mass transfer coefficients for solids suspended in agitated liquids. - AIchE J., 6.2, p. 289...
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