Les mélangeurs à cisaillement élevé sont des dispositifs conçus pour combiner complètement des composants fluides, gazeux et solides qui ne se mélangeraient normalement pas 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 déplacent l’un sur l’autre 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 turbines à grande vitesse tournant dans un boîtier fixe pour mélanger efficacement un composant introduit dans un flux constant d’un autre à des vitesses différentes. Il existe plusieurs types de mélangeurs à cisaillement couramment utilisés, notamment les mélangeurs discontinus, en ligne et à cisaillement ultra-élevé.
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 complète de combinaisons normalement incompatibles de fluides, de solides et de gaz est cependant une partie nécessaire 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 appelé 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 matière qui sert à les combiner vigoureusement le long du plan de cisaillement. Dans les malaxeurs à cisaillement élevé, cet effet est généralement obtenu avec une roue ou un rotor à grande vitesse qui tourne dans un boîtier statique bien ajusté, ou stator. Les matériaux composants introduits dans la chambre créée par le stator subiront 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 fluides, fluides et gaz ou fluides et solides, dont les mélanges résultants sont respectivement appelés émulsions, lysols et suspensions.
Plusieurs types différents de mélangeurs à cisaillement élevé sont couramment rencontrés dans les industries de la transformation alimentaire, pharmaceutique, cosmétique et papetière. Ceux-ci incluent des mélangeurs discontinus, en ligne et à cisaillement ultra-élevé, chacun avec des avantages opérationnels spécifiques. Les mélangeurs discontinus disposent d’un réservoir de mélange avec la roue située dans sa partie inférieure avec les matériaux composants étant chargés dans le réservoir par le haut, permettant à ce type de mélangeur de traiter rapidement de grands volumes. Les mélangeurs en ligne sont particulièrement adaptés au mélange de combinaisons fluide/poudre et disposent d’un agencement d’alimentation/décharge linéaire qui aspire le mélange à travers lui ainsi que le mélange des matériaux. Les mélangeurs à cisaillement ultra-élevé permettent généralement un mélange en un seul passage et ont une série de perforations dans le stator à travers lesquelles les matériaux sont forcés à grande vitesse.