Guide des techniques des industries de procédé
Les mélangeurs statiques sont des éléments destinés à être insérés dans un élément de tuyauterie pour assurer un mélange.
Ils sont constitués de lames obliques, divisant le flux principal en plusieurs flux parallèles.
La perte de charge est faible, et l'énergie de mélange est fournie par le système de pompage.
Ils peuvent être utilisés en:
- mélange de liquides peu visqueux, visqueux ou de viscosités éloignées
- mélange de gaz
- dispersion d'un gaz ou d'un solide dans un liquide, ou de liquides non miscibles de viscosités éloignées
- mélange de solides
- lavage de gaz par un liquide
- réacteur piston avec éventuellement échange thermique
AVANTAGES
- faible volume de rétension
- faible consommation énergétique (faible perte de charge)
- temps de séjour homogène (peu de rétro-mélange ou de by-pass)
La qualité du mélange est évaluée par la dispersion des concentrations autour de la moyenne.
Elle dépend de:
- du régime d'écoulement (laminaire ou turbulent)
- du rapport de débit des composants à mélanger:
plus le rapport des débits sera grand plus difficile sera le mélange
- du nombre d'éléments de mélange
Le tableau ci-dessous donne les longueurs de mélangeur statique requises (en nombre de diamètre), en régime TURBULENT (généralement pour les fluides peu viqueux):
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Qualité du mélange
(écart-type/moyenne)
D(a)/D(b) 0,01 0,04 0,1
---------- ------- ------- -------
2 2 à 4 1 à 2 0,5 à 1
10 3 à 5 2 à 4 1 à 2
100 4 à 7 3 à 5 2 à 4
1000 4 à 8 4 à 7 3 à 5
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Le tableau ci-dessous donne les longueurs de mélangeur statique requises (en nombre de diamètre), en régime LAMINAIRE (généralement pour les FLUIDES VISQUEUX):
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Qualité du mélange
(écart-type/moyenne)
D(a)/D(b) 0,01 0,04 0,1 0,4
--------- ------ ------ ------ ------
2 5 à 10 4 à 7 3 à 6 2 à 4
10 6 à 12 5 à 10 4 à 8 3 à 5
100 8 à 15 6 à 12 5 à 10 4 à 8
1000 9 à 18 7 à 14 6 à 12 5 à 10
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avec D(a) et D(b) débits volumique des constituants a et b.
La perte de charge générée par un mélangeur statique est généralement de l'ordre de:
- 0,5 à 1 mbars pour les gaz
- 50 à 500 mbars pour les liquides peu visqueux
- 5 à 100 bars pour les liquides de viscosité >1000 poises.
Bien que les écoulements de gaz soient généralement turbulents, le diamètre des conduites rend le mélange des veines gazeuses souvent difficiles.
Les mélangeurs statiques permettent d'homogèneïser le flux:
- sur une faible longueur
- avec une faible perte de charge.
APPLICATIONS TYPIQUES
- Mélange de réactifs à l'entrée d'un réacteur catalytique
- Dispersion d'un réactif (gazeux ou solide)
- Réchauffage d'un flux froid par injection d'un flux chaud
APPLICATIONS TYPIQUES
- Neutralisation en ligne par injection d'acide ou de base
- Dilution d'acide ou de base concentrée
- Mélange de productions
- Ajout d'additifs à la production avant stockage
- En extraction liquide/liquide:
Les mélangeurs statiques sont généralement employés pour mélanger intimement deux liquides avant décantation pour les séparer.
- Pour former des émulsions:
Les tensions superfitielles des composants doivent être proches, et la vitesse de passage dans le mélangeur statique doit être élevée.
APPLICATIONS TYPIQUES
- Lavage à l'eau d'hydrocarbures
- Extraction d'impuretés de l'eau par un solvant
Avec les liquides très visqueux (>1000 poises, >100 mPa.sec), l'écoulement est laminaire, et les longueurs de mélangeur nécessaires sont supérieures à ce qu'elles sont pour les liquides fluides.
Le mélangeur statique est particulièrement adapté lorsque le mélange doit être effectué:
- dans un volume restreint,
- avec un temps de séjour faible
APPLICATIONS TYPIQUES
- Incorporation de pigments, additifs dans une résine durcissable
- Homogèneïsation de polymères fondus avant extrusion
Liquide et gaz à co-courant, le mélangeur statique divise le gaz en fines bulles pour augmenter la surface de contact avec le liquide et accélérer les échanges en:
- absorption de gaz dans un liquide
- désorption et entraînement d'un gaz par un autre gaz
- réaction chimique ou biochimique entre un gaz et un liquide
APPLICATIONS TYPIQUES
- Dissolution de gaz dans un liquide
- Augmentation de la surface de contact lors d'une réaction gaz/liquide
- Homogéneïsation d'un mélange gaz-liquide avant passage sur un catalyseur
- Stripping d'un liquide par un gaz ou de la vapeur
- Oxygènation du flux à traîter dans un traîtement biologique.
Les chicanes équipant le mélangeurs statique doivent éviter la rétension et l'accumulation de solide qui pourrait conduire au bouchage.
APPLICATIONS TYPIQUES
- Homogèneïsation et traîtement de pâte à papier
- Dispersion d'additifs dans les boues
En lavage des gaz à co-courant par un liquide, le mélangeur statique permet:
- un faible encombrement par une vitesse de gaz élevée
- une surface de contact par la formation d'un film liquide sur les surfaces
APPLICATIONS TYPIQUES
- lavage de gaz acides
- séchage de gaz au triéthylène glycol
Les solides à mélanger sont introduits par gravité au sommet du mélangeur disposé verticalement.
Au cours de leur chute, ils subissent des déviations successives et sortent mélangés en partie basse.
APPLICATIONS TYPIQUES
- Ajout de pigments ou additifs à des granulés de matière plastique avant extrusion
- Mélange de sable et de ciment
- Mélange de céréales
Les mélangeurs statiques peuvent être utiles pour améliorer des échanges thermiques difficiles par:
- l'insertion d'éléments mélangeurs à l'intérieur de tubes d'échangeurs
- la fabrication d'éléments mélangeur à l'aide de tubes dans lesquels circule un fluide thermique
APPLICATIONS TYPIQUES
- refroidissement de résines dont la viscosité augmente quand la température baisse
- réacteurs de polymérisation
- réactions avec catalyseur dispersé
- réactions avec contrôle rigoureux de la température et du temps de séjour
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