Ce mémoire présente une étude expérimentale du mélange solide-liquide en milieu visqueux et
pour des concentrations élevées en solides, un système de mélange encore peu connu et
responsable de fortes pertes industrielles. Le mélangeur est une cuve mécaniquement agitée par
une turbine à pales inclinées, un agitateur fréquemment utilisé par les industries chimiques. Dans
un objectif de compréhension hydrodynamique et phénoménologique, trois paramètres ont été
caractérisés: la vitesse minimale de suspension complète (Njs), la vitesse d’homogénéisation (NH)
et le temps d’homogénéisation (tH). La technique de pression de jauge (PGT) et la tomographie
par résistance électrique (ERT) ont été implémentées pour la détermination respective de Njs et
NH et tH. L’étude est complétée par la mesure du couple et de la hauteur de suspension, ainsi que
par l’utilisation d’un modèle numérique développé dans le groupe.
Tout d’abord, la méthode de pression de jauge a été adaptée avec succès aux régimes laminaire et
transitoire, et montre une répétabilité et une stabilité adéquates. Un plan d’expérience optimal a
permis d’évaluer l’effet de cinq facteurs majeurs sur l’hydrodynamique du mélange: le diamètre
des particules (dp), la fraction massique de solides (Xw), la viscosité du fluide (μ), le diamètre de
l’agitateur (D) et le dégagement au fond (C). En régime transitoire, comme en régime turbulent,
Njs et NH diminuent pour de larges agitateurs. Les effets de dp et de μ montrent un comportement
opposé à celui observé en turbulent puisque Njs diminue lorsque dp et μ augmentent. De plus, Xw
présente un impact complexe, dépendant en partie de la taille des particules. Ces observations ont
été associées à un phénomène d’érosion de lit dont le mécanisme diffère largement de la
suspension en régime turbulent. Ces particularités expliquent les déviations observées avec les
valeurs prédites par la corrélation de Zwietering (Zwietering, 1958). Tout comme pour D/T, les
effets de Xw, dp et C/T sur NH sont équivalents à ceux rapportés en régime turbulent, puisque NH
augmente lorsque Xw et dp augmentent, et lorsque C/T diminue. L’étude de tH démontre que
l’obtention d’une suspension homogène à partir de particules sédimentées est majoritairement
contrôlée par leur mise en suspension. La coopération entre caractérisation expérimentale et étude
numérique a permis d’une part d’attester de la validité phénoménologique du modèle, et d’autre
part d’apporter de nouveau éléments à la compréhension hydrodynamique du système étudié.
Mots-clefs: mélange solide-liquide – fluide visqueux – suspensions concentrées – cuve
mécaniquement agitée – vitesse minimale de suspension
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To address a considerable lack of knowledge in solid-liquid mixing, the suspension of large
concentrations of spherical particles in a viscous fluid is investigated through the experimental
characterization of fundamental mixing parameters: the just-suspension speed (Njs), the
homogenization speed (NH) and the homogenization time (tH). Known for its great efficiency for
suspending particles in turbulent regime, and commonly used in the chemical industry, the
pitched blade turbine is investigated. Njs is characterized by the pressure gauge technique (PGT),
NH and tH are measured using a robust and simple technique of electrical resistance tomography
(ERT). The description of the system is further characterized by means of power consumption
and cloud height measurements, and by comparing the experimental data to numerical results.
First, the PGT method was successfully adapted to laminar and transitional regimes of operation,
with good reproducibility and stability. To explore the effect of particle diameter (dp), solid mass
concentration (Xw), viscosity (μ), impeller diameter (D) and bottom-off clearance (C), an optimal
design of experiment was carried out, from which the effects of every factor was determined. In
early transitional regime with non-dilute concentration of solid particles, an increase in D causes
Njs and NH to considerably decrease, as also reported in turbulent regime. Unlike the prediction of
the well-known Zwietering correlation (Zwietering, 1958), it is found that increasing dp or μ leads
to a decrease of Njs. In addition, the effect of solid concentration is more complex than what is
predicted by the Zwietering correlation, showing a dependency on dp. The large discrepancies
observed between our experimental values and Zwietering correlation values of Njs are related to
the differences in hydrodynamics and suspension mechanisms regarding the operating regime.
The effects of dp and μ for solid suspensions in a viscous liquid appear to correspond to the
erosion of a bed of particles. The impact of Xw, dp and C/T on NH are similar to those reported on
turbulent regime. The study on the homogenization time tH shows that the erosion of the particle
bed is the dominating phenomenon to consider in order to achieve a fully suspended state and an
uniform distribution of the particles. Finally, the numerical model developed in our group is
validated by comparison with experimental data, and is used to fully understand the mixing
system investigated.
Keywords: solid-liquid mixing - viscous fluid - high solid loading – stirred tank – just suspended
spee
