Que sont les mélangeurs à cisaillement élevé?

Les mélangeurs à cisaillement élevé sont des dispositifs conçus pour combiner complètement les composants fluides, gazeux et solides qui ne seraient normalement pas mélangés complètement avec les méthodes conventionnelles. Ces dispositifs utilisent un phénomène de dynamique des fluides connu sous le nom de contrainte de cisaillement pour combiner des matériaux difficiles à mélanger. La contrainte de cisaillement se produit lorsque deux corps fluides se croisent à des vitesses différentes, créant une zone de déformation le long de la zone de contact entre eux. Les mélangeurs à cisaillement élevé utilisent une série de roues à ailettes à grande vitesse tournant dans un boîtier fixe pour mélanger efficacement un matériau composant introduit dans un écoulement constant d'un autre à différentes vitesses. Il existe plusieurs types de mélangeurs à cisaillement couramment utilisés, notamment les mélangeurs discontinus, en ligne et à ultra-haut cisaillement.

Les combinaisons de matériaux qui, dans des conditions normales, ne se mélangent pas complètement sont appelées mélanges non miscibles. L'huile et l'eau sont un bon exemple d'une telle paire d'éléments généralement incompatibles. La combinaison minutieuse de combinaisons normalement incompatibles de fluides, de solides et de gaz est toutefois indispensable dans de nombreux processus industriels et chimiques. Lorsque les méthodes de combinaison normales échouent, des mélangeurs à cisaillement élevé sont utilisés pour obtenir un mélange complet de composants autrement non miscibles. Ces mélangeurs exploitent un mécanisme de dynamique des fluides connu sous le nom de contrainte de cisaillement qui se produit dans la zone où deux corps de matériau se déplaçant à des vitesses différentes se touchent.

La contrainte de cisaillement provoque une déformation localisée des deux flux de matériau, ce qui permet de les combiner vigoureusement le long du plan de cisaillement. Dans les mélangeuses à cisaillement élevé, cet effet est généralement obtenu avec une roue ou un rotor haute vitesse qui tourne dans un logement statique ou stator à ajustement serré. Les matériaux constitutifs introduits dans la chambre créée par le stator connaîtront des vitesses de rotation plus élevées à son bord extérieur que celles à son centre. Ce différentiel de vitesse provoque la contrainte de cisaillement nécessaire pour combiner efficacement les matériaux. Ces combinaisons peuvent consister en différents appariements de fluides, de fluides et de gaz ou de solides et de solides, dont les mélanges résultants sont connus sous le nom d’émulsions, de lysols et de suspensions, respectivement.

On trouve couramment plusieurs types de mélangeurs à fort cisaillement dans les industries de la transformation des aliments, des produits pharmaceutiques, des cosmétiques et du papier. Celles-ci comprennent des mélangeurs en discontinu, en ligne et à ultra-haut cisaillement, chacun présentant des avantages opérationnels spécifiques. Les mélangeurs discontinus comportent un réservoir de mélange avec la turbine située dans sa partie inférieure, les matériaux composant étant chargés dans le réservoir par le haut, ce qui permet à ce type de mélangeur de traiter rapidement de grands volumes. Les mélangeurs Inline conviennent particulièrement au mélange de combinaisons fluide / poudre et présentent un agencement linéaire alimentation / décharge qui aspire le mélange à travers celui-ci ainsi que le mélange des matériaux. Les mélangeurs à ultra-haut cisaillement permettent généralement un mélange en une seule passe et présentent une série de perforations dans le stator à travers lesquelles les matériaux sont forcés à grande vitesse.