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RÉSUMÉ
Cet article présente les concepts théoriques de base de l’opération unitaire agitation-mélange. Il décrit les opérations d’agitation-mélange mettant en œuvre une ou plusieurs phases au sein d’une cuve d’agitation équipée d’un agitateur et présente tous les paramètres globaux d’un système d’agitation. Les potentialités d’application de la mécanique des fluides numérique permettent d’acquérir des données locales telles que les champs de vitesse et de turbulence. Des exemples de calcul des diverses grandeurs d’un système d’agitation illustrent les divers concepts théoriques et montrent la complexité de l’extrapolation des résultats obtenus sur une unité pilote vers une unité industrielle.
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Michel ROUSTAN : Ingénieur INSA (Institut national des sciences appliquées de Toulouse) - Professeur émérite de génie des procédés INSA Toulouse - TBI Toulouse Biotechnology Institute Bio & Chemical Engineering, CNRS, INRAe, INSA
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Alain LINÉ : Ingénieur INP-ENSEEIHT (Institut national polytechnique de Toulouse) - Professeur de mécanique des fluides, département GP3E, INSA Toulouse - TBI Toulouse Biotechnology Institute Bio & Chemical Engineering, CNRS, INRAe, INSA
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Jean-Claude PHARAMOND : A collaboré à la rédaction de la première version de l’article.
INTRODUCTION
Les techniques d’agitation, qui ont longtemps été considérées comme un art, s’appuient maintenant sur des considérations tant théoriques qu’expérimentales, qui permettent une approche scientifique des problèmes posés. Des progrès énormes ont en effet pu être réalisés grâce, d’une part, à l’accumulation de données sur le fonctionnement d’unités industrielles et, d’autre part, à l’effort de recherche important accompli par quelques sociétés et laboratoires universitaires spécialisés dans le domaine de l’agitation et du mélange.
D’une façon très générale, la détermination d’une unité d’agitation consiste soit à sélectionner l’appareil adapté à un nouveau procédé, soit à extrapoler (ou interpoler) les résultats obtenus avec un appareil donné dans le cadre d’une fabrication existante.
Les potentialités des nouveaux moyens expérimentaux et numériques permettent de développer une approche locale qui complète l’approche globale classique du fonctionnement des cuves agitées.
L’analyse locale du fonctionnement d’une cuve agitée donne accès aux distributions spatiale et temporelle de la vitesse et de la turbulence. Cette information peut aider à comprendre et à contrôler le mélange dans la cuve agitée et peut conduire à optimiser son fonctionnement dans différentes conditions.
Dans tous les cas, une bonne connaissance du procédé est indispensable pour permettre le choix le plus favorable à l’accomplissement de ce procédé, notamment sur le plan économique.
L’objectif de l’article est de fournir à l’utilisateur ou au concepteur les concepts théoriques de base et les outils nécessaires pour dimensionner ou optimiser un système d’agitation devant réaliser une opération de mélange donnée. Le § 1 décrit les opérations d’agitation-mélange mettant en œuvre une ou plusieurs phases au sein d’une cuve d’agitation équipée d’un agitateur. Le § 2 définit ce qu’est un système d’agitation, à savoir le couple cuve-agitateur. Dans le § 3 sont définis tous les paramètres globaux d’un système d’agitation : puissance dissipée, débit de pompage et de circulation, hauteur théorique de l’agitateur, taux de cisaillement, gradient de vitesse. Les potentialités d’application de la mécanique des fluides numérique (§ 4) permettent d’acquérir des données locales telles que les champs de vitesse et de turbulence. Dans le § 5, sont présentés des exemples de calcul des diverses grandeurs d’un système d’agitation. Une démarche pour le choix du matériel d’agitation bien adapté à l’opération à réaliser est présentée dans le § 6. Le § 7 montre la complexité de l’extrapolation de résultats obtenus sur une unité pilote vers une unité industrielle.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1999 par Michel ROUSTAN, Jean-Claude PHARAMOND, Alain LINE
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Exemples de calculs pour des systèmes d’agitation
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4. Paramètres locaux d’un système d’agitation
L’analyse locale du comportement de la cuve agitée présente plusieurs intérêts. La connaissance du champ de vitesse en tout point de la cuve donne accès à la circulation globale, à la localisation des zones de liquide mortes et des zones à fort gradient de vitesse. La connaissance du champ de vitesse induit par un mobile d’agitation permet de choisir la position et le type d’agitateur le mieux adapté à un procédé : mise en suspension, dispersion de particules solides ou dispersion de bulles ou de gouttes. La connaissance du champ turbulent permet de quantifier le mélange en estimant les échelles caractéristiques des tourbillons énergétiques, le niveau d’énergie associé, le taux de dissipation visqueuse de l’énergie cinétique et le taux de cisaillement.
Pour accéder aux grandeurs locales, l’analyse expérimentale est indispensable (§ 4.1). En parallèle de l’expérience, les outils de simulation numérique des écoulements dans les cuves agitées peuvent aider l’ingénieur à mieux maîtriser les performances d’un procédé de mélange (§ 4.2).
4.1 Moyens de mesure du champ de vitesse
4.1.1 Acquisition des données de vitesse
On peut mesurer la vitesse de l’écoulement dans une cuve agitée par différentes techniques (figure 14). Un premier groupe de moyens techniques correspond à une mesure locale et ponctuelle de la vitesse instantanée par anémométrie à film chaud (Hot Film Anemometry : HFA), anémométrie à fil chaud (Hot Wire Anemometry : HWA) ou anémométrie laser à effet Doppler (Laser Doppler...
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Paramètres locaux d’un système d’agitation
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RUSHTON (J.H.), COSTICH (E.W.), EVERETT (H.J.) - Power characteristics of mixing impellers - (Part. 2). Chem. Eng. Progress, 46, no 9, p. 467-476 (1950).
-
(2) - HOLLAND (F.A.), CHAPMAN (F.S.) - Liquid mixing and processing in stirred tanks. - Reinhold Publ. Corp. (1966).
-
(3) - UHL (V.), GRAY (J.) - Mixing : theory and practice. - Academic Press (1967).
-
(4) - NAGATA (S.) - Mixing principles and applications. - John Wiley (1975).
-
(5) - KOLMOGOROV (A. N.) - The Local Structure of Turbulence in Incompressible Viscous Fluid for Very Large Reynolds Numbers. - Proceedings : Mathematical and Physical Sciences, Vol. 434, no 1890, Turbulence and Stochastic Process : Kolmogorov's Ideas 50 Years On, p. 9-13 (Jul. 8, 1991).
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(6) - SCHWARTZBERG (H.G.), TREYBAL (R.E.) - Fluid...
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