Étude de l'efficacité de dispersion des mélangeurs statiques Sulzer Smx

Study of the dispersion efficiency of Sulzer Smx static mixer

• Auteur / Autrice : Louis Fradette
• Direction : Lionel Choplin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et techniques
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Fluides relativistes, Dynamique des

Fluides newtoniens

Imagerie tridimensionnelle

Mots clés libres

Suspension particule

Mélangeur statique

Écoulement laminaire

Hydrodynamique

Goutte

Distribution temps séjour

Résumé

Bien que largement utilisés en industrie pour la dispersion de fluides non miscibles, les mélangeurs statiques montrent les performances qui restent connues seulement de leur fabriquant. Une seule recherche publiée a fait l'étude de la performance d'un mélangeur statique avec des phases continue et dispersée newtoniennes. Le présent travail vise à combler le manque d'information sur la capacité d’un mélangeur statique à effectuer convenablement une dispersion en régime laminaire. On y démontre l'effet des paramètres d'opération (rapport de viscosité entre phases, fraction volumique de la phase dispersée, nombre de mélangeurs, rhéologie de la phase dispersée) sur la dispersion produite par un mélangeur statique Sulzer de type SMX. La performance de mélange se mesure par le diamètre des gouttes ou bulles obtenues en sortie de mélangeur et ce directement dans la conduite. La méthode utilisée se fonde sur l'emploi de matériel vidéo. On démontre aussi qu'il est possible de traiter des phases continues non newtoniennes en utilisant une viscosité calculée; la viscosité de procédé, comme base de comparaison avec des fluides newtoniens. Les résultats sont tout à fait compatibles. Il en ressort notamment qu'un mélangeur statique peut fournir des informations précieuses sur la rhéologie du fluide qui le traverse. La dernière partie de l'investigation expérimentale porte sur la faisabilité de disperser des pigments dans une phase continue aqueuse sans ajout de dispersant ou autre produit. Le principal résultat montre le nombre de mélanges nécessaires à la réduction de taille et la teneur en pigment comme inversement reliés. Un second volet du travail consiste à appuyer les mesures expérimentales par des simulations 3D du mélangeur par la méthode des éléments finis. Si la simulation directe de deux phases reste hors de portée des ressources informatiques actuelles, il est tout à fait possible d'obtenir des renseignements utiles par la simulation d'une seule phase. Avec l'étude de distribution de temps de séjour, on démontre que les algorithmes actuels de déplacement de particules ne conviennent pas à des géométries aussi complexes que ce lui du mélangeur SMX. On y voit aussi que certains éléments utilisés en simulation fluide fournissent des résultats erronés. Les effets de rhéologies évadées sont étudiés et montrent que ce mélangeur n'est que peu ou pas affecté par ce type de variation.

The present work aims at fulfilling the lack of information about a static mixer's ability to effectively disperse fluids of various viscosities in laminar flow regime. The effect of various operating conditions (such as viscosity ratios, volume fraction, number of mixer and rheology of the continuous phase) on the resulting dispersion are reported. The resulting drop diameter is used as a basis of comparison between the different sets of conditions. The measurement is done directly at the outlet of the mixers with an optical apparatus. It is also shown that using non-Newtonian fluid as a continuous phase can be treated as if it was Newtonian through the use of a process viscosity. With this viscosity, it is feasible to get precious information about fluid rheology, directly online. The last aspect of the experiment work consists in a feasibility study of dispersing pigments in a static mixer without the help of any chemical. The major result shows an inverse relation between the number of mixer elements and the volume fraction of the pigment. A second aspect of this study is to use information gathered from 3D finite element simulations to backup and understand the experimental results. If, for the moment, a direct simulation of two dispersed phases is unthinkable, it is perfectly possible to obtain useful information through one phase simulation results. A residence Time Distribution study clearly shows that the actual, most widely used, algorithm of particle tracking is unable to provide results. The intricate geometry of the mixer and the mesh used are both responsible or the poor results. It is also found that some fluid elements used in 3D simulations are inappropriate for this kind of study because they provide erroneous results. Various continuous phase rheology can also be tested and show almost no effect on the performance of the mixer as the experimental results.