Matières en suspension
Une suspension est un mélange hétérogène de solides et d'un liquide. Les solides en suspension sont des particules solides dispersées dans un fluide. Les particules peuvent être maintenues en suspension par l'écoulement ou le mouvement brownien.
La taille des particules varie de quelques nanomètres à plusieurs millimètres. La plupart du temps, les solides ont une masse volumique plus élevée que le liquide. Dans ce cas, à l'état de repos : plus les particules sont petites, plus elles peuvent rester longtemps en suspension. Elles ne sédimentent que lentement. En revanche, les particules plus grosses sédimentent plus rapidement. La concentration en solides influence la viscosité, la masse volumique ainsi que le transfert de chaleur et de matière.
Pour les « solides sous forme suspendue », des équations de corrélation sont souvent utilisées dans la technique d'agitation, par exemple pour la vitesse de rotation minimale de mise en suspension complète ou pour la concentration en solides. Une approche centrale est la corrélation de Zwietering pour la vitesse de rotation minimale de l'outil de mélange. Dans ce cas, plus aucune particule ne repose sur le fond.
N_js = S · g^0,45 · (ρ_s −ρ_L)^0,45 · d_p^0,13 · X^0,13 ·ρ_L^−0,85 ·μ_L^0,20
- N_js = vitesse de rotation minimale pour une mise en suspension complète (s⁻¹ ou min⁻¹)
- S = facteur géométrique empirique (dépendant du type d'agitateur, de la cuve, des chicanes)
- g = accélération de la pesanteur
- ρ_s = masse volumique des particules solides
- ρ_L = masse volumique du liquide
- d_p = diamètre des particules
- X = fraction massique de solides (ou fraction volumique, selon la forme de la corrélation)
- μ_L = viscosité dynamique du liquide
Masse volumique effective de la suspension :
ρ_mix = (1 − φ_s) · ρ_L + φ_s · ρ_s
- φ_s = fraction volumique de solides
Viscosité effective des suspensions hautement concentrées (exemple d'approche) :
η_eff = η_L · (1 − φ_s / φ_max)^−[α]
- η_eff : viscosité effective (apparente) de la suspension
- η_L : viscosité de la phase liquide (fluide pur sans solides)
- φ_s : fraction volumique des particules solides dans la suspension (0…1)
- φ_max : fraction volumique maximale de solides (à laquelle le système se « bloque » ou devient très pâteux ; dépend de la forme et de la distribution des particules)
- α : exposant empirique (sans dimension) décrivant l'augmentation de la viscosité avec l'accroissement de φ_s ; il est généralement déterminé par ajustement à partir de données expérimentales
Les solides en suspension se retrouvent dans les techniques chimiques, alimentaires, pharmaceutiques et environnementales. Des exemples en sont les boues (slurries), les suspensions de cristaux, la crème solaire, les dispersions de pigments et les eaux usées.