Étude expérimentale de la compaction par vibration des poudres industrielles : phénoménologie et intérêt

Experimental study of vibratory compaction of industrial powders : phenomenology and interest

• Auteur / Autrice : Andrea Suaza Montalvo
• Direction : Véronique Falk, María Graciela Cares Pacheco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Henri Berthiaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Falk, Claudia Cogné, Olivier Bonnefoy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claudia Cogné, Olivier Bonnefoy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amortissement (mécanique)

Compactage vibrant

Solides en vrac -- Écoulement

Poudres

Milieux granulaires

Mots clés libres

Poudres

Milieux granulaires

Écoulement

Amortisseur des particules

Compaction par vibration

Powders

Granular materials

Powder flowability

Particle damper

Vibratory compaction

Résumé

Plusieurs études industrielles et fondamentales portent sur la consolidation des matériaux granulaires, car elle couvre de nombreux domaines technologiques. Lorsqu'un matériau granulaire est vibré, il se densifie. L'énergie nécessaire pour compacter ou décompacter une colonne de poudre présente un grand intérêt pour les opérations de manipulation, remplissage et transport. Cette thèse étudie le comportement dynamique et analyse les états stationnaires de poudres d'utilisation industrielle lorsqu'elles sont soumises à une vibration verticale harmonique à l'aide d'un système vibrant du type amortisseur granulaire. L'effet de l'onde de vibration a été étudié en faisant varier deux paramètres sans dimension : l'accélération (Γ) et la fréquence (Ω) relatives. Dans l'étude dynamique, on montre que malgré la cohésion des poudres, la compaction se produit en au moins deux étapes qu'une succession d'exponentielles étirées peut modéliser comme dans un modèle KWW généralisé. En même temps, l'absence d'un temps de relaxation entre les périodes conduit à une fluidisation pendant les premières périodes de vibration. Ce phénomène semble responsable de l'obtention de fractions d'emballage plus élevées que les systèmes relaxés, augmentant la réorganisation des grains. Les phénomènes de fluidisation (mouvement convectif, jets granulaires, explosions de poudre, bullage et pistonnage) et leur intensité dépendent de la nature des grains et des conditions opératoires. Une classification des comportements observés est proposée et reliée à la cinétique de compaction. Dans l'analyse des états stationnaires, les paramètres de taille, distribution de tailles et autres propriétés des poudres ont été reliés à leur comportement de compaction et à leur coulabilité.

Several industrial and fundamental studies focus on the consolidation of granular materials because it covers many technological fields. When a granular material is shaken, it densifies. The energy required to compact or decompact a column of powder is of great interest for handling, filling, and transport operations. This thesis studies the dynamic behaviour and analyses the stationary results of industrial granular materials when subjected to vertical vibration using a particle damper. The effect of the vibration wave has been studied by varying two dimensionless parameters: the relative acceleration, Γ, and the frequency, Ω, as well as the relaxation time between periods. In the dynamic study we show that despite the cohesion of the materials, compaction occurs in at least two steps that a succession of stretched exponentials can model as in a generalized KWW model. At the same time, the absence of a relaxation time between the periods leads to a fluidization during the first vibration periods. This phenomenon appears to be responsible for obtaining higher packing fractions than the relaxed systems, increasing the reorganization of the grains. The fluidization phenomena (convective motion, granular jets, powder explosions, bubbling and pistonning) and their intensity depend on the nature of the grains and the operating conditions. A classification of the observed behaviors is proposed and related to the compaction kinetics. In the steady-state analysis, parameters as size, size distribution and other powder properties were linked to compaction behavior and flowability.