Mélange en cuve agitée
Mélange des milieux pâteux de rhéologie complexe. Théorie

Dans les procédés de fabrication, toutes les industries mettent en œuvre l’opération unitaire d’agitation-mélange, dont le but est toujours d’obtenir une uniformité de concentration ou de température. Cette homogénéisation est directement liée à la nature des écoulements engendrés au sein du milieu par le mode d’agitation choisi. La qualité d’un mélange résulte donc toujours des interactions entre les propriétés rhéologiques du milieu, la géométrie de l’agitateur et les conditions de sa mise en œuvre.

Le mélange est réalisé à deux échelles : macro- et micromélange.

Le macromélange a pour origine le diagramme d’écoulement convectif. Dans le milieu agité, des boucles de circulation prennent naissance ; le champ de vitesse moyenne varie d’une zone à l’autre et l’homogénéisation provient d’un échange de matière entre ces différentes zones. À cette macro-échelle, une mauvaise distribution des vitesses d’écoulement au sein du mélangeur crée des zones de stagnation et des courts-circuits qui ont pour effet de n’utiliser pour l’opération de mélange qu’une partie du volume disponible.

Le micromélange se produit par diffusion turbulente. Chaque zone de circulation est modélisée par un ensemble de cellules en régime plus ou moins parfaitement agité, ce qui réalise un mélange efficace à l’échelle moléculaire. Un défaut de micromélange induit dans chaque cellule un ralentissement des transferts de matière, ce qui est préjudiciable lorsque le mélangeur est également un réacteur chimique.

Dans les pâtes, les processus diffusionnels sont très lents à cause de la forte viscosité et par suite, dans les mélangeurs et les malaxeurs, seuls les effets dus au macromélange sont observés.

Ce type de matériel est utilisable pour les milieux pâteux dont la viscosité effective ne dépasse pas quelques centaines de Pa · s. Si un mobile du type hélice à pales minces peut convenir au début de ce domaine jusqu'à une dizaine de Pa · s, il est nécessaire, dans la majorité des cas, d'utiliser des mobiles à faible entrefer (ou écartement entre le bord du mobile et la paroi de la cuve) fonctionnant en régime laminaire ou au début du régime intermédiaire. Les agitateurs traditionnels du type pales, barrières, ancres sont...