Mélangeurs Solide-Liquide (suspension)
Équipements de mélange solide-liquide
Comment mélanger efficacement un solide et un liquide ?
Question ou remarque ? Veuillez nous contacter à l'adresse : admin@powderprocess.net| Résumé de la section |
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| 1. Introduction aux suspensions solide-liquide |
| 2. Suspension solide-liquide dans les cuves agitées |
| 3. Suspension solide-liquide avec un mélangeur en ligne à cisaillement élevé |
Cette page se concentre sur les équipements de mélange solide-liquide. La création d'une suspension de solides dans un liquide, également appelée bouillie, est réalisée grâce à des équipements de mélange solide-liquide tels que les cuves agitées et les pompes à fort cisaillement. Les concepts clés sont expliqués ici.
1. Introduction aux suspensions solide-liquide
Qu'est-ce que le mélange solide-liquide ?
Le mélange solide-liquide est une opération très répandue dans les industries de procédés, et les objectifs d'une telle étape peuvent être variés : simple suspension, floculation, dissolution, cristallisation, etc.
Parmi ces différentes tâches réalisées par les mélangeurs solide-liquide, cette page se concentre sur la création d'une suspension de solides dans un liquide. Une telle suspension solide-liquide est souvent appelée bouillie (ou *slurry*).
Le mélange de solides et de liquides pour générer une suspension est souvent réalisé dans les équipements suivants :
- Cuves agitées
- Pompes à fort cisaillement
Ces deux concepts sont expliqués dans cette page.
Une telle opération de suspension est souvent utilisée pour transporter le mélange vers une autre opération unitaire, par exemple : broyage. Il est alors important d'avoir une bonne homogénéité et une suspension suffisamment stable pour éviter que les solides ne sédimentent et ne commencent à obstruer les canalisations.
La conception du mélangeur dépendra des facteurs suivants :
- La fraction de solides dans la suspension
- La rhéologie de la suspension (le mélange de particules solides avec un liquide, en particulier des particules fines, peut entraîner un comportement non newtonien marqué)
- Le temps disponible pour réaliser la suspension, si celle-ci doit rester dans la cuve pendant une longue durée
- La capacité des particules à être mouillées, ainsi que leur tendance éventuelle à flotter
De tels mélangeurs se trouvent dans de nombreux secteurs industriels :
- Agriculture / alimentation animale
- Transformation alimentaire / boulangerie
- Industries laitière et nutrition infantile
- Pharmacie
- Cosmétiques
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2. Suspension liquide-solide dans les cuves agitées
Comment mélanger des solides et des liquides ?
La forme la plus simple de mélangeur liquide-solide consiste en une cuve agitée, suivant la même logique que pour le mélange de liquides. Cependant, la dispersion de solides dans un liquide présente des défis spécifiques qui doivent être relevés en choisissant des agitateurs adaptés, voire en combinant plusieurs agitateurs.
Le choix de l'agitateur dépendra de la difficulté du mélange :
- Suspension facile, sans modification de la viscosité du mélange : pas besoin de cisaillement élevé, la turbine est principalement axiale et peut être conçue pour assurer un bon pompage.
- Suspension difficile / tendance à l'agrégation : la turbine est radiale et doit fournir un fort cisaillement au mélange.
- Turbines
- Agitateurs à rotor/stator
- Suspension entraînant un changement marqué de viscosité : il peut être nécessaire d'avoir 2 agitateurs dans la cuve, remplissant 2 fonctions. 1 agitateur radial fournissant le cisaillement et 1 agitateur tangentiel conçu pour les liquides visqueux, permettant d'éviter les zones mortes dans la cuve et d'empêcher la sédimentation des particules.
Les profils typiques de mélangeurs utilisés pour les suspensions solide-liquide sont les suivants :
| Mobile d'agitation |
Caractéristiques |
| Disperseurs haute vitesse (turbines) | >1000 tr/min Crée un vortex entraînant les particules vers la turbine pour dispersion |
| Disperseurs haute vitesse (rotor-stator) | L'association d'un rotor et d'un stator permet d'aspirer, de centrifuger puis d'appliquer un fort cisaillement |
| Mélangeurs tangentiels (Ancre) | Ne doivent être utilisés que pour empêcher la sédimentation d'une suspension, et non pour créer la suspension |
| Hélice / Helicoïdal |
Flux axial, permet de "soulever" les solides depuis le fond de la cuve si la viscosité n'est pas trop élevée |
| Combinaison de mobiles | Typiquement, la combinaison d'un mélangeur tangentiel et d'un disperseur. Le mélangeur tangentiel permet d'éviter les zones mortes dans la cuve, prévient la sédimentation, améliore le transfert thermique à la paroi et ramène les particules vers le disperseur. Le disperseur assure la création de la suspension et peut, dans certains cas, être arrêté après sa formation. |
| Mélangeurs planétaires | Mélange dans des petites cuves, facilement accessibles. Particulièrement intéressant si le mélange crée une suspension très visqueuse |
Il peut être intéressant d'installer également une pompe de recirculation qui aidera à prévenir la sédimentation de la suspension.
L'ajout de solides dans des liquides en cuve agitée peut s'avérer délicat, notamment pour des particules non solubles et bien mouillables par le liquide. L'un des risques est que les solides restent en surface et mettent beaucoup de temps à être mouillés, puis incorporés dans le liquide. [Dickey] donne quelques indications pour gérer ce problème :
- Adapter la granulométrie des solides si possible (pas trop fine)
- Utiliser un tensioactif pour améliorer le mouillage si possible
- Adapter le débit d'ajout de la poudre, lentement et régulièrement, afin d'éviter une accumulation épaisse de produit en surface, très difficile à mélanger par la suite. L'ajout peut également se faire par étapes : ajouter, mélanger, puis ajouter à nouveau...
- L'agitation doit entraîner les solides dans le liquide, ce qui peut être réalisé par un léger vortex
Un mélangeur en ligne à cisaillement élevé, comme proposé ci-dessous, peut également être une solution dans certains cas, pour assurer un mouillage complet et rapide des particules. Le mélange peut ensuite être envoyé vers une cuve agitée pour finalisation ou simplement pour éviter la ségrégation.
3. Suspension solide-liquide avec un mélangeur en ligne à cisaillement élevé
Il est également possible de créer une suspension solide-liquide en utilisant des agitateurs à fort cisaillement, fonctionnant comme des pompes. Ces systèmes existent sous différentes variantes mais sont typiquement utilisés dans la boucle de recirculation d'une cuve dans laquelle des solides ont été chargés dans le liquide. Certaines configurations permettent de positionner la pompe sous une trémie de solides, admettant directement la poudre dans la pompe sans nécessiter de pré-mouillage dans une cuve.
