Paula Daniela BELTRANAndrea Lorena CHAVESMinmin YU

3ª I2C

Mélangeurs StatiquesProjet « Poudres »Majeure procédés

A l’attention de Véronique FALK

1. Description des mécanismes mis en jeu

Un mélangeur statique est composé d’un ensemble d’éléments immobiles placés bout à bout dans un tube. Chaque élément a une structure géométrique rigide particulière qui divise le flux et le recombine . Le concept des mélangeurs statiques réside dans la succession d’éléments au design structuré en employant une différence de pression ou d’énergie cinétique ou potentiel, en créant des mouvements aléatoires et changements des débits d’écoulement.

Les actions mis en jeu dans le mélange statique de poudres sont: la division, le changement, l’accélération, le ralentissement et la recombinaison. Ces actions de mélange son classées en quatre types :

a. Division et recombinaison d’écoulement de particules b. Interaction entre particules et entre particules et les éléments fixés (parois, surface)c. Changements de la direction d’écoulementd. Différence de profils de vitesse.

De la même manière ces actions de mélange sont attribuées aux mécanismes de cisaillement, convection et diffusion. Dans le premier mécanisme quelques régions de particules qui écoulent sont cisaillées, en induisant les différences de vitesses entre couches adjacents. Les multiples divisions et recombinaisons d’écoulements en différents directions représentent le mécanisme de convection et la dispersion ou diffusion est caractérisée par les mouvements stochastiques entre particules, ce pendant que ces mécanismes agissent plus ou moins ensemble dans tout type de mélangeurs statiques, et donc ils ne sont distingués uns des autres.

2. Inventaire des procédés existants et/ou description du procédé concerné

Les technologies de mélange des solides divisés sont extrêmement variées. La raison de cette diversité réside certainement dans le fait que les appareils doivent pouvoir répondre à la grande complexité des milieux à mélanger, et donc employer des mécanismes de mélange très différents. Il existe ainsi différentes types de mélangeurs comme : les mélangeurs convectifs, les mélangeurs à tambour et les mélangeurs statiques.

Dans les deux premières technologies de mélange préalablement commentées, l’énergie servant au mélange était produite soit par un agitateur, soit par la rotation d’une cuve, tandis que les mélangeurs statiques ne nécessitent pas l’action d’un agitateur ou la mise en mouvement de la cuve pour réaliser le mélange d’un matériau granulaire, car l’on se sert de l’écoulement des solides à travers un dispositif fixe pour effectuer le mélange des flux. Cet écoulement peut être gravitaire ou bien dû à la circulation d’un gaz. Donc, il existe plusieurs types de mécanismes de mélange dépendant de la nature de l’écoulement des grains dans les différents procédés de mélange et homogénéisation des solides divisés, en utilisant les mélangeurs statiques.

Mélangeurs à lit fluidisé

Dans les mélangeurs à lit fluidisé, un lit de solides divisés à mélanger traverse une cuve, généralement cylindro-coniques, dans laquelle circule un gaz (dans des conditions de fluidisation du lit). Un filtre situé dans la partie haute de l’appareil permet d’arrêter les fines et de recycler le gaz. La plupart de ces mélangeurs fonctionnent presque toujours par intermittence pour permettre une phase de redéposition des particules. De cette façon, le débit de gaz étant interrompu périodiquement pendant environ 10 s afin de permettre le dépôt des particules. Durant les périodes d’aération (de durées similaires), le passage des bulles de gaz assure un transport axial et un mélange radial, si bien que les temps de mélange associés sont réputés faibles (2 min).

Mélangeurs en siloDans ce cas, on se sert fondamentalement de l’effet de mélange axial provoqué par la vidange d’une cuve de grande capacité (silo de plusieurs dizaines de mètres cubes), généralement avec une recirculation du milieu granulaire en son sommet (ou bien dans un autre silo) afin d’accroître l’efficacité du principe de mélange. Le mélange axial des grains est observé en raison d’un profil de vitesse parabolique dans le sens de l’écoulement et du rétrécissement du silo au niveau de son embouchure. Pour provoquer un mélange radial supplémentaire des mini silos, des chicanes ou bien des collecteurs sont insérés directement dans la cuve. Un état asymptotique de mélange est atteint au bout de 4 à 6 transferts.

Mélangeurs en ligneLes mélangeurs en ligne sont des éléments de faibles dimensions qui, du fait de leur géométrie particulière, provoquent une dispersion radiale des particules au sein d’un écoulement gravitaire ou pneumatique, comme dans une conduite par exemple. Ces éléments peuvent être fixes ou bien mobiles créant alors un impact sur les parois de la conduite. En jouant sur les débits d’alimentation, il est possible de se placer dans des régimes favorisant également une dispersion axiale. On retrouve par exemple ces mélangeurs dans les conduites permettant l’acheminement du matériel granulaire entre deux endroits de la chaine industrielle. La figure 1 illustre des exemples des différents types de mélange

Figure 1. Différentes configurations de mélangeurs dans les procédés. A) Installation de mélange en lit fluidisé B) configurations de mélangeurs en silo selon la nature des inserts, C) Photographie d’in mélangeur en ligne, des éléments de mélange d’un mélangeur en ligne Sulzer et disposition d’impacteurs mobiles dans une tubulure

Source : http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/19/82/09/PDF/PhD_Franck-Lomine.pdf http://www.techniques-ingenieur.fr.bases-doc.univ- lorraine.fr/res/pdf/encyclopedia/TI-j3397.pdf

A B

C

3. Exemple d’application

L’exemple d’application choisi est le mélange dans les systèmes à écoulement libre de particules par gravité à travers de mélangeurs statiques.

La condition la plus importante à évaluer est l'homogénéité de mélange, qui dans la plus part de cas va être fonction des propriétés physiques des composants, et des phénomènes comme la ségrégation. Deux paramètres principaux ont été étudiés dans cette application : La cinétique de mélange, avec différents systèmes de particules et le régime d'écoulement.

Le dispositif utilisé pour étudier le premier paramètre, est constitué de deux récipients cylindriques et une section de mixage au milieu avec des grilles horizontales fixées. Le matériau à mélanger est rempli dans le récipient inférieur, puis le dispositif est mis en rotation par intermittence, se fait tourner 180 ° dans un sens, puis s'arrête pour permettre aux solides êtres placés assez haut dans le récipient. Après cela, se fait tourner 180 °, mais dans la direction opposée. Toute la procédure est ensuite répétée jusqu'à l'homogénéité requise soit obtenue.

Figure 2. Schéma de dispositif de mélangeur statique rotatif. 1 - conteneurs, 2 - grilles composées d'éléments mélangeur statique, 3 - les composants à mélanger, 4 - montage avec arbre tournant.

Source: Gyenis. J, Motionless Mixers in Bulk Solids Treatments

L’homogénéité de chaque mélange est suivie par le degré de mélange en fonction du nombre de tours. Dans la partie expérimentale les processus d’échantillonnage sont aussi importants a fin d’assurer une bonne qualité des résultats.

Les résultats reportés dans le travail de Gyenis à partir des donnes des particules, sont montre ci-dessous:

Tableau 1. Taille et masse volumique des particules des constituants dans le mélange

ComposantTaille moyenne des

particules, mmMasse volumique,

kg/m3

Sable de quartz 0.17 2650Chlorure de sodium 0.46 2160

Farine de blé 0.05 1510Granulés de polypropylène 5.5 910

Source: Gyenis. J, Motionless Mixers in Bulk Solids Treatments

Tableau 2. Rapports de taille et de masse volumique des particules des constituants dans le mélange.

Composant Rapport tailleRapport Masse

volumiqueSable de quartz-

Chlorure de sodium1 : 2.7 1.2 :1

Sable de quartz- Polypropylène

1 : 32.4 2.9 :1

Farine de blé- Polypropylène

1 :110 1.7 :1

Source: Gyenis. J, Motionless Mixers in Bulk Solids Treatments

Figure 3. Courbes des cinétiques de mélange des différents systèmes de particules, atteint dans le mélangeur statique d’arbre tournant.

Source: Gyenis. J, Motionless Mixers in Bulk Solids Treatments

Il a été conclu que le rapport de masse des composants, ainsi que la forme et le nombre de mélangeurs statiques placés jouent un rôle important dans la condition de homogénéité.

Le régime d’écoulement a été étudié dans un melangeur type Kenics, il consiste en longue d'un long tuyau cylindrique contenant un certain nombre d'éléments hélicoïdaux tordus à 180° alternativement de gauche et droit et perpendiculaires à la direction d'écoulement. Les éléments adjacents sont fixés à 90° dans direction radiale, donc le bord de sortie d'un élément donné et le bord d'entrée de la suivante sont perpendiculaires les uns par rapport aux autres.

Ces tuyaux mélangeurs ont trois sections: (1) un tube d'alimentation plaine au sommet, (2) mélangeurs statiques au milieu, et (3) un autre tuyau plaine des mélangeurs statiques. Le débit massique des solides a été contrôlé par deux moyens: en ajustant le taux d'alimentation à l'entrée, ou en contrôlant le débit de sortie de particules au fond.

Les régimes sont liés au réglage des débits d’entre et de sortie dans le tuyau (sections 1 et 3).

Figure 4. Régimes d’écoulement caractéristiques dans le mélangeur de solides par gravité de type Kenics

Source: Gyenis. J, Motionless Mixers in Bulk Solids Treatments

Les expérimentes et les modélisations ont permit déterminer les différentes conditions d’écoulement, qui sont fonction directe de l’alimentation et la décharge des solides. La conclusion de l’étude a montré que les meilleures valeurs d’homogénéité ont été obtenues dans le 2ème régime

Tableau 3. Description des régimes d’écoulement dans le mélangeur de solides par gravité de type Kenics.

Régime d’écoulement Conditions et description1er Régime A lieu quand le débit de solides á la sortie est inferieure au débit maximal

possible dans le tube mélangeur par gravité. Le débit de particules à l'entrée du tuyau est illimité dans ce cas. Ce régime d'écoulement est caractérisé par un flux dense (phénomènes de rétention dans les trois sections de tube).

2ème Régime Il est caractérisée par un lit de particules coulissant dense dans la section supérieur, ce qui fait accélérer le débit de particules au long des éléments dans le mélangeur. Par contre la section inférieure consiste en un lit libre de particules.

3ème Régime Il est caractérisé par l’écoulement libre des particules dans les sections supérieure et inférieure du tuyau (la concentration en solides est très faible et diminue progressivement). Dans la section de mixage, cependant, un lit de particules avec une beaucoup plus élevé facteur de rétention.

4. Avantages et inconvénients d’une telle technologie en termes du procédé à obtenir et à maintenir des propriétés de produits

Il existe une grand varieté des mélangeurs disponibles sur le marché due à la diversité de comportement des solides divisés à mélanger, mais aussi le grand nombre de formules existants. Le choix technologique d’un appareil de mélange de poudres ou de grains est un problème complexe. Cela doit inclure la vérification de l’adéquation d’un mélangeur à des contraintes particulières. Celles-ci sont principalement liées à trois aspects : les particularités du procédé, la qualité du mélange, les coûts associés au mélange.

Selon les contraintes dues aux particularités du procédé, il faut considérer que l’absence de partie mobile, les faibles volumes nécessaires et leur capacité à promouvoir des écoulements très proches du piston font des mélangeurs statiques une alternative très attractive aux cuves agitées. De plus, son principe même, permet au mélangeur statique s’adapter parfaitement aux procédés en continu. Cependant que la géométrie complexe de la plupart d’entre eux rend leur nettoyage difficile.

En plus, autre avantage de ce type de technologie résulte des problèmes liés à la disponibilité de pièces de rechange ou à l’existence d’une assistance technique, selon l’emplacement géographique de l’unité (on peut penser à des puits ou des gisements, dans des régions peu peuplées). Il est alors plutôt conseillé d’employer des mélangeurs statiques comportant peu de pièces « délicates » et ne nécessitant qu’une maintenance réduite.

En relation à la qualité du mélange, les éléments du mélangeur statique créent une réaction intense dans les fluides qui permet un mélange homogène complète en un court laps de temps avec une consommation d'énergie suffisamment faible. Il faut considérer que les propriétés de poudres, le rapport de masse des composants, ainsi que la forme, et le nombre de mélangeurs statiques, jouent un rôle important dans l'homogénéité réalisable. Les propriétés de poudres sont déterminées par les propriétés physico-chimiques du matériau, la géométrie, la taille et les caractéristiques de surface des particules individuelles. Egalement, autre avantage des mélangeurs statiques est le mélange produit libre de ségrégation. La ségrégation est produite lorsque les poudres à écoulement libre, avec une gamme de taille des particules, sont exposées à une sorte de mouvement mécanique. De plus, convient également aux applications avec échangeurs de chaleur par leur très haut rendement dans les transferts thermiques.

C’est ainsi que les avantages de cet appareil sont : un faible volume de rétention, une faible consommation énergétique (faibles pertes de charge), un temps de séjour homogène (peu de zones mortes et de rétro-mélange). La qualité du mélange dépend quant à elle de plusieurs points. Le premier concerne le type d’écoulement, le résultat n’est pas le même si on se trouve en régime laminaire ou en régime turbulent. Le deuxième concerne le rapport entre les débits des différents constituants à mélanger puisque plus ce rapport n’est grand, plus le mélange c’est difficile. Le dernier point concerne le nombre d’espèces à mélanger.

Par rapport aux contraintes dues aux coûts, on doit prendre en considération qu’en termes générales les mélangeurs de solides divisés sont des machines de faible consommation énergétique et de prix d’achat moyen. De ce fait, la part la plus importante des coûts associés est due à la maintenance des appareils, qui est plus importante lorsque les procédés sont discontinus, puisqu’il faut procéder au remplissage, à la vidange, au nettoyage, à la validation, au stockage. Sur ce point, les mélangeurs statiques ont un avantage certain sur les autres types de mélangeurs avec une longue durée de vie.

Les principaux inconvénients des mélangeurs statiques sont son nettoyage difficile et le fait qu’ils ne sont pas appropriés pour les poudres à écoulement libre. Le souci de quelques types de mélangeur comme le SMX, vient des arêtes vives et les changements soudains de sens de flux car ils augmentent la perte de charge. L’écoulement des solides, peuvent présenter des troubles, particulièrement pour des matériels cohésifs, pour les plus grosses particules ou des larges distributions de taille.

Application choisie

Selon les résultats obtenus de l’alternatif mélangeur de solides choisi comme exemple, on montre des différents avantages de ce type de technologie.

Amélioration considérable du taux de mélange résultant en un court laps de temps de mélange Grande homogénéité (équilibre homogène attendu) à une consommation d'énergie suffisamment

faible. Quand les rapports de masse sont égaux les mélangeurs type Kenics sont les meilleures. Mais quand ces différaient significativement les mélangeurs Koacs et Sulzer SMX donnent meilleurs résultats.

Les résultats de cet appareil montrent un mélange libre de ségrégation

C’est ainsi que les mélangeurs statiques sont de plus en plus appliqués en technologies de processus différents pour mélanger les particules solides. Un exemple intéressant est le standard de l'industrie du Tennessee qui prévoit l'emploi de mélangeurs Komax, Ross Koch (Sulzer) pour la fabrication de ciment hydraulique.

5. L’instrumentation actuelle du procédé et les perspectives envisageables dans ce domaine

Divers types de mélangeur statique peuvent être employés. Quel type est plus adapté pour l'application respective dépend des circonstances d'installation, d'opération, de nettoyage et d'énergie de l'exploitant de l'installation. Aujourd’hui, il existe plus de 30 modèles commercialisés, environ 2000 brevets US, et plus de 8000 articles de la littérature décrivent les mélangeurs statiques et leurs applications.

C’est ainsi que le marché des mélangeurs statiques offre une large gamme de designs. Dans la mesure où ces designs présentent des caractéristiques géométriques bien différentes, elles permettent de les classifier dans un premier temps selon leur morphologie car chacune va générer un écoulement aux propriétés propres. Donc, il est possible de classer les différents mélangeurs selon le type d’écoulement qu’ils engendrent, et selon le type d’opération de mélange pour lequel ils peuvent être utilisés.De la même manière, se distinguent 3 grandes types de design suivant des groupes correspondant aux principales applications réalisables en mélangeurs statiques.

Mélange de fluides miscibles Génération d’interface entre deux phases non miscibles. Transfert et homogénéisation thermique

Les mélangeurs les plus largement connus sont  de type : Sulzer SMK et SMF, Ross ISG et LPD, Komax, Kenics et FixMix. Ces appareils sont présentés ci-dessous.

Mélangeur SMX : Ce type de mélangeur a été créé en 1980, commercialisé par la société Sulzer. Consiste en un rouleau de lamelles croisées, présentant un angle de 45° par rapport à l’axe du tube. Le nombre n de lamelles appelées barres que l’on peut compter sur une section est de 8. L’ aspect ratio L/D représentant le rapport entre la longueur et le diamètre d’un élément est de 1. Pendant le flux, le matériel est divisé en plusieurs courants ou des couches correspondant au nombre de bandes, déplacé vers des directions opposées l'un par rapport à l'autre.

Un élément SMX est constitué d’une série de bandes, mélanges principalement en deux dimensions le long du plan de la forme X. Donc, la série suivante de formes de X est alignée à 90° pour assurer le mélange tridimensionnel. Sulzer SMX est donc caractérisée par un excellent mélange transversal et un haut effet de dispersion avec un faible encombrement et une distribution étroite de temps de séjour, néanmoins, l’inconvénient de ce type de mélangeur vient de cela, car les arêtes vives et les

changements soudains de sens de flux augmentent la chute de pression. L’écoulement des solides, peuvent présenter des troubles, particulièrement pour des matériels cohésifs, pour les plus grosses particules ou des larges distributions de taille.

Sulzer recommande l’emploi du mélangeur SMX entre autres pour les opérations suivantes en régime laminaire : homogénéisation et dispersion de liquides visqueux et l’homogénéisation de fibres et mélange de fluides visqueux

Mélangeur Ross LPD : Le mélangeur Ross LPD consiste en une série de plaques inclinées semi-elliptiques placées de manière discriminatoire dans un logement tubulaire. Lorsque le matériau s'écoule à travers du mélangeur, le flux d'entrée est divisé et détourné dans différentes directions le long de la section transversale du tube, jusqu'à obtenir le mélange homogène atteint.

Ce type de mélangeur est généralement utilisé pour l'écoulement turbulent de liquides à faible viscosité afin d’améliorer la macro et micro-mélange et/ou le coefficient d’échange thermique des échangeurs de chaleur. Il est également faisable le flux de solides, néanmoins, car l'écoulement est divisé juste en deux courants, le cisaillement et l'échange du matériel n’a lieu que dans un seul plan entre les deux demi-sections du tube, ainsi l'effet de mélange le long d'une longueur donnée est plus faible que dans des mélangeurs SMX. Naturellement, la chute de pression est moindre et le risque de tamponnement de l’appareil pour les poudres cohésifs ou de grandes tailles, est considérablement réduit.

Mélangeur Komax : Le mélangeur Komax se compose de plaques planes disposées sensiblement dans le sens axial dans un tube, mais aux deux extrémités de ces plaques, ils sont hachurés, arrondis et pliés dans des directions opposées. Les plaques voisines sont disposées à 90 ° dans le sens radial, par conséquence ils se touchant du bout des volets pliés. Le mélangeur Komax a une grande efficacité grâce à une triple action de mélange : -Division de courant deux par deux : Ces mélangeurs divisent et re-divisent le flux avec une série d’éléments à angle droit les uns par rapport aux autres. Chaque élément double le nombre de divisions - Croix-courant: Des cavités spéciales randomisent la distribution de matériel.- Contre –tourbillons et rétro-mélangé : En vertu de l'écoulement turbulent, les deux parties de chaque élément KOMAX produit des tourbillons elliptiques tournant en sens inverse. Ceci élimine le tunnel ou des effets de diffusion liés aux premiers dessins de mélangeur statique. En outre, un degré optimal de rétro-mélangé se produit lorsque le matériel est mis en orbite dans le tourbillon de l'avant à l'arrière d'un élément avant de poursuivre en aval. Il en résulte une amélioration substantielle de l'efficacité du mélange.

Mélangeur Kenics : C’est le même expliqué dans l’exemple d’application. Depuis plus de 30 ans d’expérience, les mélangeurs statiques Kenics se sont distingués dans des milliers d'installations de par le monde grâce à leur grand pouvoir de mélange en ligne et par leur très haut rendement dans les transferts thermiques dans les échangeurs de chaleur. C’est ainsi que les mélangeurs statiques Kenics fonctionnent, à pas alternativement inversé, conduisant à des tourbillons dans la veine liquide à l'intérieur du tube. Ils fournissent un fort potentiel de mélange tout en engendrant une perte de charge minimum.

Dans le cas de l’écoulement des solides, en raison du profil de vitesse axiale non-uniforme, certain degré de mélange longitudinal a lieu. En raison des surfaces lisses et les relativement larges canaux de flux, le risque le risque de colmatage ou de blocage est très limité.

Mélangeur FixMix : Ce type de mélangeur est très similaire au Kenics, avec la différence essentielle que les éléments individuels sont inclinés par rapport à l'axe du tube et sont coniques. Il en résulte plusieurs avantages: l'écart légèrement croissant entre l'élément mélangeur et la paroi du tube élimine les coins ou les points de contact entre eux. Par conséquent, il n'y a aucune zone morte et la déposition ou le blocage ne peut pas se produire. D'autre part, la section transversale des canaux

d'écoulement sur les deux côtés d'éléments du mélangeur changent continuellement sur toute sa longueur, car la section transversale sur un côté s'étend tandis que de l'autre côté il se contracte. Ces fonctionnalités améliorent l'efficacité du mélange avec une faible perte de charge et un degré de turbulence qui permet des champs de vitesse tangentielle et radiale plus uniforme. La plus grande vitesse et la turbulence à proximité de la paroi du tube génèrent des coefficients de transfert de chaleur plus élevés et un effet auto- nettoyant de surface.

Figure 5. Classification des mélangeurs statiques ; a) lamellaire (Sulzer SMX), b) Ross LPD, c) Komax d) Kenics e) FixMix mixer f) cierge g) asymétrie de l’élément FixMix

Source: Gyenis. J, Motionless Mixers in Bulk Solids Treatments

Perspectives envisageables dans ce domaine.

Les avancées récentes des techniques en mélange découlent des méthodes d’intensification de ce type d’opération. Le CSE-XR (Documentation Fluitec) est un cas particulier de mélangeur statique qui est actuellement étudié. Il est plus particulièrement utilisé pour le conditionnement en température de fluides très visqueux en régime laminaire. Il permet le maintien d’une homogénéité contrôlée et d’un écoulement piston. Les raisons de ces performances reposent sur la géométrie particulière qui offre un assez fort mélange radial et assure donc constamment un écoulement intensif. Il est évident que le CSE-XR présente un grand intérêt surtout quand il s’agit de grand volume de mélange par rapport aux autres appareils traditionnels en termes de capacité d’évacuation de la chaleur en fonction de la taille de l’appareil.

D’ autre part, le développement de techniques et d'appareils de micro fabrication adaptés sont actuellement étudiées et développées pour réduire de manière importante la taille des unités en rapport avec leurs volumes de production, leur consommation énergétique. Les micro- mélangeurs permettent réduire la dimension caractéristique afin d’accélérer le mélange et donc de travailler avec des réactions plus rapides.

Quelques exemples de micro mélangeurs sont : mélangeurs en T ou Y (avec canaux gravés dans des plaques), les micro-mélangeurs de multi-lamination (avec une subdivision des flux et recombinaison interdigitale) et les micro- mélangeurs de jets d’impact (où deux jets de liquide s’impactent et créent de la turbulence locale)

Bibliographie

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