Etude de la fragmentation de milieux granulaires : modélisation numérique à l'échelle du grain et analyse expérimentale du broyage de matières minérales et végétale

Study of the fragmentation of granular media : modelisation at the grain scale and experimental analysis of the milling of minerals and vegetal materials

• Auteur / Autrice : Nicolas Blanc
• Direction : Jean-Yves Delenne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et génie civil
• Date : Soutenance le 18/10/2018
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Christine Frances
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Delenne, Christine Frances, Pierre Breul, Jean-Noël Roux, Claire Mayer, Xavier Frank, Vincent Richefeu, Farhang Radjaï
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Breul, Jean-Noël Roux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux granulaires

Fragmentation

Mots clés libres

Fragmentation

Broyage

Milieux granulaires

Fragmentation

Milling

Granular media

Résumé

Le broyage est une opération couramment réalisée dans de nombreux secteurs industriels. Malgré son apparente simplicité, le broyage met en jeu des phénomènes de fragmentation complexes dépendant à la fois des propriétés de la matière, des sollicitations mécaniques dans le broyeur, et de la dynamique des poudres au sein de celui-ci. Aujourd'hui l'évolution des technologies de broyage repose essentiellement sur un savoir-faire empirique et de nombreux efforts sont encore à déployer pour améliorer leur efficacité énergétique. Cette optimisation ne pourra être réalisé qu'en s'appuyant sur une connaissance fine des phénomènes mis en jeux à plusieurs échelles (échelle sub-particulaire, échelle de la particule, du lit de poudre et du procédé). L'objectif de ces travaux de thèse est de mettre en évidence les paramètres clés influençant les mécanismes de comminution et l'efficacité énergétique du broyage. Un modèle numérique de rupture de particules présentant des défauts sous forme de clivage a été mis en œuvre. Il a permis notamment d'analyser l'influence de la distribution spatiale des fissures sur la statistique des seuils de rupture en lien avec les chemins de fissures et la taille des fragments. A l'échelle du procédé, une étude expérimentale, réalisée au sein d'un broyeur de laboratoire, a permis de proposer un modèle énergétique s'inspirant de celui de Rittinger mais tenant compte des phénomènes d'agglomération. Ce modèle a ensuite été généralisé à différentes technologies de broyage à media broyant pour comparer leur efficacité énergétique lors du broyage de matières minérales, végétale ainsi qu'en condition de cobroyage.

Although grinding is a widespread operation in industrial processes, it remains poorly understood. The difficulty to model grinding not only lies in the complexity of the fragmentation, which depends on material properties and loading dynamics, but also on the stress transmission from the grinder to the particles. The development of grinding technologies has led to an empirical know-how, and much more effort is still needed to understand the the mechanisms of the comminution of particles. This objective can be achieved only by increasing knowledge on the phenomena involved at different scales (sub-particle heterogeneities, particle, powder bed and boundary conditions of the process).In this PhD work, we investigate the key parameters influencing comminution mechanisms and the energetic efficiency of grinding. A numerical model of particle breakage including a subparticle distribution of cleavages was developed. This model allowed us to analyze the cracks patterns, fragment sizes and probability distribution of failure. At the scale of the process, an extensive experimental study of comminution was carried out using a laboratory mill. An energy evolution inspired by Rittinger model but taking into account the agglomeration phenomena was proposed. This model was then extended to other grinding technologies to compare the energy efficiency for grinding minerals, vegetal particles and their comilling.