Éléments de conception pour les cristallisoirs

Cuves et tubes

Les cuves agitées et mélangeurs en ligne suivent les règles de conception de leurs homologues utilisés pour l’agitation et le mélange de fluides monophasés. Mais les spécificités du solide dispersé imposent parfois des modifications géométriques, principalement afin de maintenir les particules en suspension. Pour les cuves agitées, l'animation ci-dessous représente les deux types de modifications les plus fréquentes. L’intérêt du tube de guidage réside dans la neutralisation de courants radiaux secondaires et donc dans un parcours de circulation interne bien défini. Le tube de guidage a pour but de séparer le courant descendant, en général le long de l’arbre d’agitation, et le courant ascendant, de manière à ce que la section droite offerte à l’écoulement du fluide, et donc la vitesse moyenne de la suspension, soient à peu près partout constantes. Le fond profilé sert à éviter d’avoir des vitesses minimales sur le fond de cuve, au droit de l’arbre d’agitation.

Cuve agitée pour les suspensions avec tube de guidage et fond profiléInformations[1]

Cuve agitée pour les suspensions avec tube de guidage et fond profilé

Cuve agitée pour les suspensions avec tube de guidage et fond profiléInformations[2][Zoom...]

Cuve agitée pour les suspensions avec tube de guidage et fond profilé

Dans les tubes, on se laissera guider par les mêmes principes : un champ de vitesses aussi homogène que possible, et surtout l'absence de zones stagnantes, comme c'est le cas à la sortie des coudes. Une mesure de la Distribution des Temps de Séjour (DTS) en présence de solide divisé avec la même fraction de phase solide \[{\phi }_{S}\][3] et le même nombre de Froude modifié \[\mathrm{Fr}{\mathrm{'}}_{\left(p\right)}\][4] peut s'avérer très utile pour détecter les volumes morts, qui se manifestent par l'apparition de traceur à des temps de séjour élevés (courbes DTS avec queue).

Alimentations et soutirage

Dans le cas d’un fonctionnement continu ou semi-continu d'une cuve agitée, des alimentations et/ou des soutirages sont placés dans la cuve. On a déjà vu l’importance de la position des alimentations pour le blindage ou le bouchage de celles-ci. Il est donc conseillé de les placer dans une zone bien agitée pour disperser le fluide entrant. Pour une précipitation, la position absolue et relative des alimentations en fonction du mode opératoire (fermé, semi-fermé ou continu) a une forte influence sur la granulométrie du solide précipité ( Mersmann et coll., 1998[5]).

Si le soutirage doit être représentatif du fluide, il convient qu'il réponde aux règles de prélèvement (prélèvement à une vitesse sensiblement identique à celle localement engendrée par le mouvement du fluide). On déconseille les soutirages par surverse pour les particules avec des nombres de Froude modifié \[\mathrm{Fr}{\mathrm{'}}_{\left(p\right)}\][4] moyens ou faibles et nombres d'Archimède \[\mathrm{Ar}\][6] importants (\[\mathrm{Fr}{\mathrm{'}}_{p}<1000\] ou \[\mathrm{Ar}>1\]) et on les remplacera par des systèmes de prélèvement représentatifs (voir plus haut) commandés par une régulation de niveau de la suspension.

Mobiles d'agitation et mélangeurs statiques

Remarque

Le but d'un mobile d'agitation ou d'un écoulement tubulaire avec un mélangeur statique est de provoquer une circulation de la suspension, et, par la turbulence créée, de réduire les tailles des agrégats de fluide afin de les mélanger plus intimement. On leur demande ici une mission supplémentaire : maintenir le solide en suspension complète et aussi homogène que possible.

Les agitateurs mécaniques de cuves induisent un courant de circulation principal qui permet de les classer en trois grandes catégories :

  • courant principal tangentiel : agitateurs cadre ou à ruban hélicoïdal ;

  • courant principal radial : agitateurs radiaux ;

  • courant principal axial : agitateurs axiaux.

Les agitateurs à courant tangentiel ont l'avantage d'être de grande taille et donc de racler les parois, mais ils ne créent qu'une faible turbulence, voire aucune turbulence, et n'induisent qu'une faible circulation axiale. Ils sont réservés aux liquides visqueux ou aux suspensions très chargées (\[{\phi }_{S}>15\textrm{\%}\] de solide en volume avec des particules de diamètre \[{d}_{p}>100\mu m\]).

Les agitateurs à courant radial créent une forte turbulence, mais ils sont assez inefficaces pour maintenir en suspension des particules de taille \[{d}_{p}>100\mu m\]. De plus, le risque de brisure est accru. On les réservera principalement à la précipitation des sels minéraux très peu solubles.

Les agitateurs à courant axial seront utilisés pour des particules de taille moyenne (\[{d}_{p}<500\mu m\]) quand la suspension n'est ni trop visqueuse, ni trop chargée. On les complète souvent par un tube de guidage.

Rappel

Un mélangeur statique en ligne n'est utile qu'aux valeurs des nombres de Froude modifié[4] élevés et nombres d'Archimède[6] faibles, en valeur absolue. Dans les autres cas, le mélangeur va piéger le solide divisé suspendu dans le tube.