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Détermination d'un mélangeur

Préconiser et dimensionner un type de mélangeur consiste à déterminer les paramètres optimums à la mise en œuvre du procédé visé. Cette optimisation s'effectue très souvent sous contraintes, qu'elles soient de coûts, d'encombrements ou de limites physiques. Cette démarche repose sur le choix d'un certain nombre de paramètres :

• Type d'agitateur(s) et positionnement (mobiles à écoulement radial  / axial / mixte, mobiles à écoulement tangentiel, mobiles de dispersion / émulsification)
• Géométrie de la cuve (dimensions, formes)
• Rotation du mobile (vitesse, régime d'écoulement)
• Durée du mélange
• Conditions physiques imposées (pression, température)

Ces choix reposent sur le savoir-faire et l'expérience de ceux qui sont amenés à les effectuer et sont, dans bien des cas, rendus encore plus complexes par un certain nombre de facteurs dont nous ne citerons ici que les plus fréquents :

• La nature et la rhéologie des produits qui peuvent conduire à des expressions compliquées d'un certain nombre de paramètres. C'est en particulier le cas pour les fluides non newtoniens pour lesquels on observe des évolutions non linéaires de la puissance mise en jeu et du débit de circulation en fonction de la vitesse de rotation de l'agitateur.

• La contrainte de certains paramètres, par expérience ou par raisons économiques ou technologiques, tels par exemple la vitesse périphérique reconduite d'un type de mélangeur à un autre ou le taux de cisaillement, limite les marges de manœuvre de calcul des autres paramètres. C'est un facteur limitant, mais on peut également considérer qu'il permet finalement d'aboutir à un résultat plus rapidement en minimisant les choix.

Dans la pratique, déterminer un agitateur s'avère être un compromis où l'on définit et calcule un paramètre prépondérant et où l'on vérifie que les autres sont suffisants.

VMI-RAYNERI, préconise et met en œuvre la méthodologie suivante :

Etape 1.......................................... Identification du type de mélange à réaliser

• Mélanges Solide / Liquide (dissolutions, homogénéisations, mises et/ou maintiens en suspension, dispersions)
• Mélanges Liquide / Liquide (mises et/ou maintiens en suspension, homogénéisations, dilutions, émulsions)
• Mélanges visqueux à rhéologie complexe (mises et/ou maintiens en suspension, dissolutions, homogénéisations, dispersions, transferts thermiques, broyages)

Etape 2.......................................... Recensement des caractéristiques des matériaux à mélanger

• Liquides (masse volumique, viscosité, pourcentage, température initiale et finale,  type d'écoulement)
• Solides (nature, pourcentage, masse volumique, dimensions et répartition granulométrique, vitesse de décantation, mouillabilité, solubilité)
• Gaz (nature, débit, pression, solubilité)

Etape 3.......................................... Identification des caractéristiques globales des mobiles de mélange

• Flux principalement généré (axial ou radial)
• Importance de l'effet de pompage (fort, moyen, faible)
• Importance de l'effet de cisaillement (fort, moyen, faible)
• Capacité à générer des turbulences (forte, moyenne, faible)

Etape 4.......................................... Choix des mobiles à mettre en œuvre

Il convient ici d'identifier, parmi la grande variété de mobiles disponibles, celui le mieux adapté au mélange à réaliser. Ce choix est effectué en fonction :

• Des caractéristiques intrinsèques des mobiles eu égard au type de flux à favoriser, en sachant que souvent il convient d'aboutir à un compromis entre type d'écoulement (axial, radial, turbulent, …) et effets mécaniques à générer (circulation, cisaillement, …),
• D'essais réalisés en laboratoire,
• De critères financiers : choix de meilleur rendement Nq/Np pour minimiser la puissance installée par exemple,
• De critères fonctionnels : choix du mobile le plus facilement nettoyable par exemple.

Etape 5.......................................... Calcul des différents paramètres de mélange (cuve – mobiles)

Ces calculs s'effectuent en fonction d'un ou plusieurs critères qui sont considérés pour un mélange donné comme paramètres prépondérants :

• Critères liés à l'efficacité du mélange (vitesse périphérique, taux de recirculation, temps de mélange)
• Critères liés à la rhéologie du produit (plus le produit est visqueux, plus le diamètre du mobile devra être important et sa vitesse faible)
• Critères économiques 

Calcul du Nombre de Reynolds Re, du Nombre de Puissance corrigé NP, de la puissance absorbée Pab, du débit de la turbine Q, du débit entrainé Qe (qui tient compte de la viscosité du fluide), du taux de recirculation TRC, du temps de mélange Tm, des vitesses périphériques VP, vitesses de flux (ou de traversée) VF, et vitesses de remontée VR

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