Academic literature on the topic 'Coulabilité de poudre'

Les étapes de mélange sont souvent délicates à appréhender, car il subsiste encore des lacunes sur les lois dynamiques qui régissent ces opérations. De ce fait, la prédiction de l’homogénéité d’un mélange de poudres nécessite encore de nombreux essais. Dans ce travail de thèse, nous nous attachons à développer une méthodologie qui permet de contribuer au développement de modèles prédictifs dans les mélangeurs de poudres tout en mettant en évidence des invariants possibles pour les changements d’échelle sur ces procédés. Ainsi nous avons étudié l’agitation de poudres, avec différentes résistances à l’écoulement, dans un mélangeur convectif planétaire de type Triaxe® d’une contenance de 48 L. Des mesures de propriétés rhéologiques à l’échelle du laboratoire (rhéomètre FT4, voluménomètre) sont effectuées afin de mieux comprendre le comportement des poudres à l’échelle du mélangeur. Un mélangeur convectif prototype a été conçu dans le cadre de cette thèse. Cet appareil polyvalent constitué d’une cuve cylindrique transparente et agité par un mobile constitué de quatre pales, permet de visualiser les régimes et les mécanismes d’écoulement tout en effectuant des mesures rhéologiques. Deux régimes d’écoulement ont été identifiés (roulement, cataracte), ainsi que trois mécanismes (convection, diffusion et avalanche). Ces mécanismes ont permis d’établir un modèle stochastique, dont les paramètres ont été évalués expérimentalement pour une poudre à écoulement libre et pour une poudre cohésive<br>Mixing systems are usually difficult to understand, because there is a lack of knowledge concerning dynamic laws ruling these operations. Thus, nowadays, several tests are needed to predict properly the homogeneity of a powder mix. Throughout this PhD work, a method is developed to build predictive models for powder mixers and to bring out possible invariants for scale switching on these processes. Thus the stirring of powders is studied using different flow resistances within a 48L capacity Triaxe®, a convective planetary mixer. Rheological properties measurements are done at labscale (FT4 rheometer, volumenometer) for a better understanding of powder behavior at a wider mixer scale. A prototype blender has been built for this work. This polyvalent device, made of four blades and of a transparent vessel, allows to observe flow regimes and mechanisms, and to do rheological measurements. Two flow regimes have been identified (rolling, cataracting) and three flow mechanisms (convection, diffusion and avalanching). These mechanisms allowed to do stochastic modelling, for which parameters have been evaluated with experiments for free-flowing and cohesive powders

Les convoyeurs à vis sont très largement utilisés dans l'industrie chimique. Du fait de leur capacité de mélange et de transport, ils sont mis en œuvre pour différentes applications (convoyage, séchage, pyrolyse, etc.). Cette technologie se voit ainsi utilisée dans le retraitement de matière nucléaire, notamment pour stabiliser des oxalates de plutonium en oxyde. De nombreuses études ont été menées à l'échelle du laboratoire afin d'établir précisément les mécanismes réactionnels par analyse thermogravimétrique (ATG) et les propriétés physico-chimiques des espèces mises en jeu. Il s'agit de réactions de décomposition thermique de chaînes carbonées couplées en phase hétérogène (réactions solide/gaz). Dans un four à vis, les phénomènes de transfert de chaleur, de matière et de quantité de mouvement peuvent significativement modifier la vitesse de réaction apparente et par conséquent l'avancement de la calcination. L'objectif de ce travail est d'améliorer un outil de simulation phénoménologique, permettant de transposer vers les plus grandes échelles les résultats des études menées en ATG sur de petites quantités de poudre supposées uniformes à chaque instant en composition et en température. Ce travail est réalisé en uranium, utilisé comme simulant du plutonium.L'outil de simulation est basé sur un modèle compartimenté, lié à l'hydrodynamique des poudres dans le réacteur. Ainsi, une majeure partie de la thèse se focalise sur l'écoulement à l'échelle globale et locale. Pour le mélange global, le point de débordement, caractérisant le changement de régime hydrodynamique, a été identifié. La Distribution des Temps de Séjour (DTS) a également été mesurée. Des modèles adimensionnels ont été élaborés pour prédire à la fois le point de débordement et la forme de la DTS. Pour le mélange local, deux études expérimentales ont été menées, en utilisant un système optique et des outils de traitement d'images. La première s'est intéressée au renouvellement de la surface du lit de poudre et la seconde au renouvellement des particules dans l'entrefer vis-tube. Ces études hydrodynamiques permettent de mieux comprendre et donc modéliser, respectivement les interactions gaz/solide et solide/paroi. Des modèles adimensionnels ont été développés pour prédire ces paramètres caractéristiques. Enfin, l'écoulement des poudres a pu être étudié en détail grâce à la modélisation de la rhéologie par mécanique des fluides numériques (CFD). En premier lieu, le modèle d'écoulement et ses paramètres ont été calibrés à partir de mesures expérimentales obtenues dans un tambour tournant ; appareil de géométrie plus simple et où la dynamique des poudres est similaire à celle observée dans un convoyeur à vis. Ce modèle a par la suite été confronté avec succès aux mesures expérimentales réalisées sur les maquettes à l'échelle pilote. Au final, le modèle a pu fournir des informations sur des données difficilement accessibles expérimentalement au sein d'un convoyeur à vis, comme l'épaisseur de la surface active ou les vitesses d'écoulement à l'intérieur de la poudre.Des études en ATG couplée à une analyse de calorimétrie différentielle à balayage (ATG/DSC) ont été menées afin d'obtenir des données cinétiques et thermochimiques robustes sur la calcination de l'oxalate d'uranium sous atmosphère oxydante et inerte, ainsi que sur la conversion de l'UO2 en U3O8. Enfin, les signaux ATG obtenus expérimentalement ont pu être modélisés, validant les paramètres cinétiques.L'outil de simulation du four à vis a été amélioré grâce à une meilleure représentation des phénomènes ayant lieu dans ce type de réacteur pendant la calcination de l'oxalate d'uranium. Ces améliorations permettent d'avoir accès aux différents profils de température et de concentration de toutes les espèces dans différentes zones prédéfinies. L'outil de simulation est capable de prédire des données expérimentales mesurées sur le four à vis pilote<br>Screw conveyors are widely used in the chemical industry. Thanks to their mixing and transport capacity, they are used for a variety of applications (conveying, drying, pyrolysis, etc.). This technology is also used in the reprocessing of nuclear materials, in particular to stabilise plutonium oxalates into oxides. Numerous studies have been carried out on a laboratory scale to establish precisely the reaction mechanisms using thermogravimetric analysis (TGA) and the physico-chemical properties of the species involved. The reactions involved are thermal decomposition of coupled carbon chains in a heterogeneous phase (solid/gas reactions). In a screw kiln reactor, heat, mass and momentum transfer phenomena can significantly modify the apparent reaction rate and consequently the progress of the calcination. The aim of this work is to improve a phenomenological simulation tool, enabling the transposition to larger scales the results of studies carried out in TGA on small quantities of powder assumed to be uniform in composition and temperature at all times. This work is carried out in uranium, used as a simulant for plutonium.The simulation tool is based on a compartment model, linked to the hydrodynamics of the powders in the reactor. Thus, a major part of the thesis focuses on the flow at the global and local scales. With regard to global mixing, the overflow point, which characterises the change in hydrodynamic regime, has been identified. The Residence Time Distribution (RTD) was also measured. Dimensionless models were developed to predict both the overflow point and the shape of the RTD. Concerning the local mixing, two experimental studies were carried out, using an optical system and image processing tools. The first one looked at the renewal of the surface of the powder bed, while the second one at the renewal of the particles within the screw-tube clearance. These hydrodynamic studies will allow a better understanding and a modeling of gas/solid and solid/wall interactions respectively. Dimensionless models have been developed to predict these characteristic parameters. Finally, the powder flow was studied in detail by modelling the rheology using Computational Fluid Dynamics (CFD). First, the flow model and its parameters were calibrated using experimental measurements obtained in a rotating drum, a device with a simpler geometry and where the powder dynamics are similar to those observed in a screw conveyor. This model was then successfully compared with the experimental measurements carried out on the pilot-scale models. In the end, the model was able to provide information on data that is difficult to access experimentally within a screw conveyor, such as the thickness of the active layer or the flow velocities within the powder.TGA coupled with differential scanning calorimetry (TGA/DSC) studies were carried out to obtain robust kinetic and thermochemical data on the calcination of uranium oxalate in an oxidising and inert atmosphere, as well as on the conversion of UO2 to U3O8. Finally, the TGA signals obtained experimentally were modeled to validate the kinetic parameters.The screw kiln reactor simulation tool has been improved with a better representation of the phenomena taking place during the calcination of uranium oxalate in such apparatus. These improvements give access to the different temperature and concentration profiles of all the species in different predefined zones. The simulation tool is capable of predicting experimental data measured on the pilot screw kiln reactor

Certains procédés de production d’énergie nécessitent l’utilisation de poudres de biomasse, par exemple la gazéification en réacteur à flux entraîné (RFE). Cependant, les poudres de biomasse ont une mauvaise coulabilité. L’objectif de cette thèse est d’étudier leurs propriétés d’écoulement dans le contexte de la gazéification en RFE, à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. A l’échelle du laboratoire, des mesures en tambour rotatif, des tests de cisaillement et des mesures de densité ont été effectués. D’une part, une corrélation est mise en évidence entre la cohésion (issue des tests de cisaillement), la densité et l’angle d’avalanche (tiré des mesures en tambour). Ainsi, un paramètre difficile à obtenir comme la cohésion peut l’être à partir de mesures simples. D’autre part, l’influence de l’humidité sur la coulabilité des poudres de biomasse a été évaluée. L’humidité n’a pas d’effet significatif sous 15 % (en masse, base humide), car l’eau est adsorbée dans la structure de la biomasse ; les particules gonflent et ne sont pas liées par des ponts liquides. Un procédé de granulation humide est proposé. Un liant issu de déchets de biomasse est ajouté à la poudre pour former des granulés d’environ 1 mm. Leur forme sphérique diminue l’entrelacement des particules et leur faible polydispersité diminue le nombre de points de contact. Une amélioration de l’écoulement est observée à l’échelle labo. Une étude énergétique montre que la consommation énergétique du procédé peut descendre jusqu’à 12% du pouvoir calorifique inférieur, ce qui suggère une potentielle rentabilité économique du procédé. Enfin, la caractérisation à l’échelle supérieure est effectuée dans un pilote reproduisant l’injection en RFE. Les résultats montrent le rôle essentiel de la sphéricité et d’une faible polydispersité des particules. L’effet positif de la torréfaction et de la granulation sur la coulabilité est mis en évidence<br>Some power generation processes require the biomass to be finely ground, such as biomass gasification in entrained flow reactors. However, fine biomass powders are cohesive and present flow issues. This thesis aims to study the biomass powder flowability in the context of the entrained flow gasification process. Biomass powders are characterized both at laboratory scale and pilot scale. Characterization at lab scale consisted of rotating drum measurements, shear tests and density measurements. First, a correlation is found between the cohesion (derived from shear tests), the powder density and the avalanche angle (derived from the rotating drum measurements). Thus, parameters difficult to get such as the cohesion can be obtained with easy to perform measurements. Then, the influence of moisture content on wood powder flowability has been assessed. No significant effect of the water content is found below 15 wt% (wet basis). Below 15%, as water is adsorbed in the biomass structure, the particles swell without being linked by liquid bridges. A wet granulation method is proposed. Biomass waste binders are added to the powder to form granules around 1 mm. The spherical shape lowers the interlocking phenomenon. The low size dispersity of the grains decreases the number of contact points between particles. An improvement of the flowability at lab scale is observed. An energetic study of the granulation process is proposed, showing the energy consumption can be as low as 12% of the biomass Lowest Heating Value. Thus, the process is potentially economically profitable. Finally, characterization at pilot scale is performed with a device mimicking the injection in an entrained flow reactor. The results show the essential roles in the injection step of both the spherical shape and the narrow size distribution of the particles. The positive effect of torrefaction and granulation on the flowability is highlighted

Cette étude est menée dans le cadre du projet "PowderReg", financé par le programme européen Interreg VA GR dans le cadre de l'axe prioritaire 4 "Renforcer la compétitivité et l'attractivité de la Grande Région / Groβregion". La compréhension du lien entre l'organisation microscopique et le comportement de l'écoulement des poudres est une avancée majeure dans l'établissement de critères pour optimiser leurs propriétés de transport, de stockage et de traitement. Ainsi, une meilleure compréhension du comportement de l'écoulement des poudres évite aux industries d'énormes pertes économiques. Il est donc essentiel d'évaluer leur aptitude à l'écoulement. Ce travail consiste à étudier expérimentalement l'influence de la formulation des poudres, de la taille des particules, ainsi que l'influence des conditions environnementales telles que l'humidité sur les comportements d'écoulement des poudres. Cinq types de formulations ont été analysés: la bille de verre témoin a été utilisée comme poudre de référence et trois types de formulations de surface consistant en un enrobage hydrophile, hydrophobe et de lactose ainsi qu'une poudre de lactose agglomérée ont été préparés. Tout d'abord, l'influence de deux tailles différentes, 100 et 500 µm, sur le comportement d'écoulement des poudres a été analysée. Ensuite, le comportement de l'écoulement des poudres a été étudié avec différents équipements expérimentaux: FT4, Granutools et rhéomètre Discover HR3. Y compris différentes techniques, telles que la cellule de cisaillement, la compressibilité, l'angle de rotation du repos, etc. L'objectif était de déterminer le comportement des poudres dans différentes conditions de traitement. Les résultats ont montré que le passage d'une technique à l'autre peut modifier la classification de la fluidité des poudres. Comme les poudres subissaient des contraintes mécaniques différentes. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons observé l'influence impressionnante de l'humidité après 80 % sur le comportement d'écoulement de deux tailles différentes de billes de verre de contrôle (40 et 100 µm). Les perles de verre de petit diamètre ont montré une fluidité plus faible qui est due au plus grand nombre de contacts de surface de ces particules. De plus, la comparaison du comportement d'écoulement des billes de verre de contrôle et hydrophobes de taille 100 µm à un taux de cisaillement élevé a révélé la même fluidité pour les deux échantillons. Alors qu'à faible taux de cisaillement, les mesures par rhéologie vibratoire ont révélé une fluidité plus élevée dans les billes de verre de contrôle. La fluidité de la perle de verre témoin a diminué de façon spectaculaire après 80 % de contrôle de l'humidité, mais la perle de verre hydrophobe a conservé son comportement d'écoulement comme auparavant avec une très faible sensibilité à l'humidité. Enfin, l'influence de l'ajout d'une petite quantité d'eau sur le comportement d'écoulement de la bille de verre de contrôle a été étudiée<br>This study is conducted in the framework of the “PowderReg” project, funded by the European program Interreg VA GR within the priority axis 4 “Strengthen the competitiveness and the attractiveness of the Grande Région Groβregion”. Understanding the link between microscopic organization and powders flow behavior is a major step forward in establishing criteria for optimizing their transport, storage and processing properties. Whereby, better understating of powder flow behavior saves the industries from huge economic loss. Therefore, it is essential to evaluate their flowability. This work consists in experimentally studying the influence of powder formulation, particle size, as well as influence of environmental condition such as humidity on flow behaviors of powders. Five types of formulations have been analyzed: control glass bead has been used as reference powder and three types of surface formulations consisting of hydrophilic, hydrophobic and lactose coating as well as agglomerated lactose powder have been prepared. First, influence of two different sizes 100 and 500 µm on flow behavior of powders has been analyzed. Then, the powders flow behavior has been considered with different experimental equipements: FT4, Granutools and Rheometer Discover HR3. Including different techniques, such as shear cell, compressibility, rotating angle of repose, etc. The objective was to figure out the behavior of powders under different processing conditions. The, results reported that the transition from one technique to another can modify the classification of the powder flowability. Since the powders were experiencing different mechanical stresses. At the last part of this thesis, we observed the impressive influence of humidity after 80 % on flow behavior of two different size of control glass beads (40 and 100 µm). Small diameter glass bead showed lower flowability which is due to the more surface contacts of these particles. Furthermore, the comparison of flow behavior of control and hydrophobic glass beads with 100 µm size at high shear rate reported the same flowability for both samples. While at low shear rate measurements by vibrational rheology revealed higher flowability in control glass bead. The flowability of control glass bead decreased dramatically after 80 % of humid control, however hydrophobic formulated glass bead kept its flow behavior like as before with very low sensitivity to humidity. Finally, influence of addition of small quantity of water on flow behavior of control glass bead has been investigated