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Characterization of helical impellers by circulation times

Authors

  • P. Guérin,

    1. Département de génie chimique, École Polytechnique de Montréal, C.P. 6079, Succ. ‘A’, Montréal, Québec H3C 3A7 Canada
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  • P. J. Carreau,

    1. Département de génie chimique, École Polytechnique de Montréal, C.P. 6079, Succ. ‘A’, Montréal, Québec H3C 3A7 Canada
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  • W. I. Patterson,

    1. Département de génie chimique, École Polytechnique de Montréal, C.P. 6079, Succ. ‘A’, Montréal, Québec H3C 3A7 Canada
    Current affiliation:
    1. Department of Chemical Engineering, McGill University, Montreal, Quebec H3A 2A7
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  • J. Paris

    1. Département de génie chimique, École Polytechnique de Montréal, C.P. 6079, Succ. ‘A’, Montréal, Québec H3C 3A7 Canada
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Abstract

Measurements of the circulation time during batch mixing of Newtonian and non-Newtonian fluids were used to analyse and compare the performance of six different helical-ribbon impellers and a screw impeller inside a draft coil. The distribution of circulation times obtained from two hundred repeated measurements is shown to depend markedly on the impeller geometry. Mixing time data with the helical-ribbon impellers are correlated with the mean value and the reduced standard deviation of the circulation times. Effective (rapid) mixing corresponds to a large circulation capacity and a wide distribution of the circulation times. The mixing mechanism of Newtonian fluids with the helical-ribbon impellers is qualitatively described by the Voncken model.

The helical impellers' circulation capacities are not affected by the shear-thinning properties of non-Newtonian fluids. However, in highly shear-thinning fluids, the presence of important stagnant zones is responsible for much longer mixing times which consequently do not correlate with the circulation parameters.

The relative efficiencies of the different impellers in Newtonian fluids are compared using a criterion based on the the total energy required to achieve a certain degree of mixing. The wide blade impeller is the most efficient of the helical-ribbon impellers but is considerably less efficient than the screw impeller in a draft coil.

Abstract

On a déterminé les temps de circulation lors du mélange en cuvée de fluides newtoniens et non newtoniens pour analyser et comparer le comportement de six agitateurs à ruban hélicoïdal différents et d'une vis d'Archimède munie d'une gaine-serpentin. On a observé que la distribution des temps de circulation basée sur un échantillonnage de 200 mesures est appréciablement affectée par la géométrie de l'agitateur. On a pu établir des corrélations entre le temps de mélange pour les agitateurs à ruban hélicoïdal et la valeur moyenne des temps de circulation et leurs écarts-types. Un mélange efficace, c'est-à-dire rapide, correspond à une capacité de pompage élevée associée à une distribution de temps de circulation étalée. Le mélange des fluides newtoniens par des agitateurs à ruban hélicoïdal peut ětre représenté qualitativement par le modèle de Voncken.

La capacité de pompage des agitateurs hélicoïdaux n'est pas affectée par les propriétés rhéofluidisantes des liquides non newtoniens. Néanmoins la présence de zones stagnantes importantes observée avec les fluides très rhéofluidisants a pour conséquence des temps de mélange très élevés pour lesquels on n'a pu établir de corrélations avec le temps de circulation.

On a comparé les efficacités relatives des différents agitateurs avec des fluides newtoniens en utilisant un critère basé sur l'énergie totale nécessaire pour atteindre un certain degré de mélange. L'agitateur à large lame est le plus efficace de tous les agitateurs hélicoïdaux mais il reste beaucoup moins efficace que la vis d'Archimède dans une gaine.

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