Étude expérimentale et modélisation de mélangeurs convectifs : agitation de poudres de différentes coulabilités

Experimental study and modeling of convective mixers : agitation of powders of different flowabilities

• Auteur / Autrice : Léonard Legoix
• Direction : Henri Berthiaux, Cendrine Gatumel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 25/11/2016
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Véronique Falk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Berthiaux, Cendrine Gatumel, Véronique Falk, Guillaume Delaplace, Khashayar Saleh, Mathieu Milhé, Thierry Ruiz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Delaplace, Khashayar Saleh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Malaxeurs et mélangeurs

Rhéologie

Poudres

Markov, Processus de

Mots clés libres

Mélangeur convectif

Agitation

Poudres cohésives

Rhéologie

Chaînes de Markov

Convective blender

Agitation

Cohesive powders

Rheology

Markov chains

Résumé

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.

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.