Atomisation et séchage assistés par gaz de suspensions concentrées de particules : rôle de la rhéologie de la suspension

Gas-assisted atomization and drying of concentrated suspensions of particles: role of the suspension rheology

• Auteur / Autrice : Louison Marchand
• Direction : Nathanaël Machicoane
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels

Mots clés

Mots clés libres

Turbulence

Rhéologie

Suspensions

Atomisation

Écoulements diphasiques

Turbulence

Rheology

Suspensions

Atomisation

Two-phase flows

Résumé

Parmi les nombreuses applications de l'atomisation d'une phase liquide par un flux de gaz, le séchage par spray pose de nombreux défis en matière de conception, de mise en œuvre et d'innovation dans les industries manufacturière, alimentaire et pharmaceutique, pour n'en citer que quelques-unes. La complexité de la compréhension et de la modélisation du séchage par spray est évidente car il implique la fragmentation diphasique turbulente, où la phase liquide est typiquement une suspension aux propriétés rhéologiques non linéaires, couplée à une évaporation rapide entraînée par le flux de gaz. Lors de la fabrication de poudres, le contrôle de la taille, de la forme et de la structure interne des microparticules est particulièrement difficile, mais le plus grand défi est probablement l'efficacité énergétique, d'autant plus que le processus repose généralement sur un flux de gaz rapide et chaud. D'une part, les approches par essais et erreurs et les corrélations globales des pulvérisations de suspension (par exemple, la taille des gouttelettes) ne permettent pas d'obtenir des outils prédictifs fiables, car ils ne sont pas robustes face aux changements des points de fonctionnement et des cibles d'application. D'autre part, les expériences sur une seule goutte, bien qu'elles permettent de comprendre physiquement certains des mécanismes qu'elles démêlent, ne peuvent pas englober toute la complexité et ne parviennent pas à produire des lois d'échelle pour les applications, étant donné que l'atomisation assistée par gaz est constituée d'une cascade de mécanismes couplés. L'approche choisie ici est donc d'étudier le processus dans toute sa complexité tout en s'appuyant sur un atomiseur canonique à deux fluides et sur des suspensions modèles pour obtenir une compréhension amusante de l'atomisation assistée par gaz.

Among the many applications of atomizing a liquid phase with a gas stream, spray drying poses numerous challenges in terms of design, implementation, and innovation in the manufacturing, food, and pharmaceutical industries, to name just a few. The complexity of understanding and modeling spray drying is evident as it involves turbulent diphasic fragmentation, where the liquid phase is typically a suspension with nonlinear rheological properties, coupled with rapid evaporation driven by the gas flow. When producing powders, controlling the size, shape, and internal structure of the microparticles is particularly difficult, but the greatest challenge is probably energy efficiency, especially since the process usually relies on a fast, hot gas stream. On one hand, trial-and-error approaches and global correlations of suspension sprays (e.g., droplet size) do not provide reliable predictive tools, as they are not robust against changes in operating points and application targets. On the other hand, single droplet experiments, although they allow for a physical understanding of some of the mechanisms they untangle, cannot encompass the full complexity and fail to produce scaling laws for applications, given that gas-assisted atomization consists of a cascade of coupled mechanisms. Therefore, the approach chosen here is to study the process in all its complexity while relying on a canonical two-fluid atomizer and model suspensions to gain a comprehensive understanding of gas-assisted atomization.