Étude phénoménologique des gouttes pendantes et décrochées pour le développement d'un milli-réacteur de granulation

Phenomenological study of pendant and fallen drops for the development of a granulation milli-reactor

• Auteur / Autrice : Laure Lecacheux
• Direction : Thierry Ruiz, Agnès Duri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Institut Agro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IATE - Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
• Partenaire(s) de recherche : École d’inscription : L'Institut Agro Montpellier (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Falk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Ruiz, Agnès Duri, Véronique Falk, José Bico, Marco Ramaioli, Pierre Jop, Bernard Cuq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Bico, Marco Ramaioli

Mots clés

Mots clés libres

Goutte pendante

Goutte décrochée

Sollicitation mécanique

Interaction grain/goutte

Milieu granulaire

Innovation par downsizing

Pendant drop

Drop-Weight

Mechanical stress

Grain/drop interaction

Granular media

Innovation bydownsizing

Résumé

Les gouttes peuvent être utilisées comme milli-réacteur, ce qui est le cas en agglomération de poudres fines par « spray drying ». La pulvérisation d'une suspension granulaire est une opération extensive qui permet la réalisation statistique de produits agglomérés. Les procédés classiques d'agglomération par voie humide, consistent à pulvériser des gouttes d'eau dans la masse d'un lit de particules sous agitation cisaillante. Ces procédés sont énergétiquement coûteux et génèrent des populations d'agglomérats dont la distribution de taille est difficilement maitrisable. L'utilisation de gouttes pendantes comme systèmes réactionnels unitaires représente une alternative technologique potentiellement innovante. Cette thèse s'inscrit dans un projet de conception et développement d'une innovation de rupture permettant de concentrer toutes les étapes classiques d'agglomération (mélange, hydratation, agglomération, cuisson, roulage et enfin séchage) dans une goutte avec seulement deux étapes successives (nucléation et séchage/mise en forme). Le développement d'une telle technologie impose une maitrise fine des phénomènes capillaires comme (i) l'équilibre mécanique des gouttes maximales pendantes, (ii) la phénoménologie réelle de décrochage, pour à terme (iii) comprendre comment la présence de particule(s) peut perturber l'état d'équilibre des gouttes maximales pendantes. Ces différentes problématiques ont été traitées grâce au développement d'une méthodologie originale et d'un prototype expérimental de précision permettant d'analyser les gouttes pendantes et décrochées, seules ou chargées de particule(s). Cette stratégie a permis une compréhension des différents états étudiés, tant d'un point de vue mécanique que morphologique. Ces résultats ont permis de (i) décrire et compléter la mécanique d'une goutte maximale pendante, (ii) révéler la phénoménologie de décrochage décrite par une courbe maitresse unique ainsi que (iii) sa relation directe avec l'existence d'une représentation universelle des formes de gouttes et enfin (iv) la maitrise du chargement de ces gouttes pour la génération de milli-réacteur hautement calibrés.

The droplets can be used as a milli-reactor, which is the case in the agglomeration of fine powders by “spray drying”. The spraying of a granular suspension is an extensive operation which allows the statistical production of agglomerated powders. Conventional wet agglomeration processes consist of spraying drops of water into the mass of a bed of particles with shearing stirring. These processes are energetically expensive and generate populations of agglomerates whose size distribution is difficult to control. The use of pendant drops as unit reaction systems represents a potentially innovative technological alternative. This thesis is part of a design and development project for a breakthrough innovation allowing all the classic agglomeration steps (mixing, hydration, agglomeration, cooking, rolling and finally drying) to be concentrated in a drop with only two successive steps (nucleation and drying / shaping). The development of such a technology requires a fine mastery of capillary phenomena such as (i) the mechanical equilibrium of the maximum pendant drops, (ii) reveal the dropout phenomenology described by a unique master curve as well as (iii) understand how the presence of particle (s) may disturb the state of equilibrium of the maximum pendant drops. These various questions have been studied through the development of an original methodology and a precision experimental prototype for analyzing pendant and fallen drops, alone or loaded with particle (s). This strategy allowed an understanding of the different states studied, both from a mechanical and morphological point of view. These results made it possible to (i) describe and complete the mechanical equilibrium of a maximum pendant drop, (ii) reveal the dropout phenomenology described by a single master curve as well as (iii) its direct relationship with the existence of a representation. universal form of drops and finally (iv) control of the loading of these drops for the generation of highly calibrated milli-reactors.