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PDF Chapitre Conclusion Bibliographie Annexes

De
121 pages
Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
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  • classique pour la modelisation des phenomenes de transport en milieu poreux

  • representation schematique de la modelisation des phenomenes de filtration par changements d'echelle successifs d'apres quintard

  • changements d'echelle successifs depuis la formulation du probleme

  • colmatage

  • echelle du filtre

  • filtration

  • medium plan

  • modele de colmatage des media plans


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la première partie
de la thèseDeuxi`eme partie
Colmatage
121Chapitre 3
M´edium Plan
Sommaire
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.2 Bibliographie sur le colmatage des m´edia plans . . . . . . . . . . 125
3.2.1 R´esultats globaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.2.2 Colmatage en profondeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.2.3 Colmatage en surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.2.4 Mod´elisation qualitative de l’´evolution de la chute de pression lors
du colmatage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.3 Colmatage m´edium plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.3.1 Protocole exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.3.2 Analyse des images de colmatage de m´edium plan . . . . . . . . . . 154
´3.3.3 Evolution de la chute de pression lors du colmatage . . . . . . . . . 168
3.3.4 Mod`ele empirique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.1 Introduction
Dans ce chapitre, nous nous int´eressons au colmatage des m´edia dispos´es en configuration
plane.L’objectifprincipalestdeproposerunmod`eledecolmatagedanslaconfiguration”m´edium
plan”pour les m´edia intervenant dans la fabrication des filtres pliss´es de notre´etude. Comme on
le verra au chapitre suivant, ce mod`ele constitue un des ´el´ements cl´es du mod`ele de colmatage
a` l’´echelle du filtre pliss´e.
Id´ealement, on aimerait pouvoir obtenir le mod`ele `a l’´echelle du filtre pliss´e par changements
d’´echellesuccessifsdepuislaformulationduprobl`emea`l’´echelledelafibre.Cetted´emarche,tr`es
classiquepourlamod´elisationdesph´enom`enesdetransportenmilieuporeux,cfWhitaker[128],
est possible aussi en filtration quand les m´ecanismes de capture mis en jeu sont suffisamment
simples ou suffisamment bien compris. Elle est illustr´ee sch´ematiquement sur la figure 3.1.
Dans notre cas, en raison de diff´erents facteurs comme la polydispersit´e en taille des parti-
cules, la nature des m´edia utilis´es et la complexit´e des m´ecanismes de capture mis en jeu, il est
difficile de construire un mod`ele de colmatage des m´edia plans nous int´eressant a` partir d’un
nombre limit´e d’observations et/ou de consid´erations purement th´eoriques (comme cela a pu
ˆetre fait par exemple dans [105] ou` seul le colmatage en profondeur est pris en compte, voir
ci-dessous pour plus de d´etails sur cette notion).
123Chapitre 3. M´edium Plan
Fig. 3.1 – Repr´esentation sch´ematique de la mod´elisation des ph´enom`enes de filtration par
changements d’´echelle successifs d’apr`es Quintard et Whitaker [105])
1243.2. Bibliographie sur le colmatage des m´edia plans
Cette difficult´e est mise en ´evidence `a travers l’analyse bibliographique, l’apercu¸ des m´eca-
nismes de colmatage correspondant a` notre ´etude et les observations pr´eliminaires obtenues par
tomographie X ainsi que par microscopie ´electronique.
Il est sans doute possible de d´evelopper une approche th´eorique pertinente du colmatage de
nos m´edia pour le cas plan en syst´ematisant et en exploitant ce type d’observations. Cependant,
faute de temps et compte tenu de la priorit´e mise sur la mod´elisation `a l’´echelle du filtre pliss´e
(cf Chapitre suivant), nous avons pr´ef´er´e d´evelopper un mod`ele essentiellement empirique du
colmatageenconfigurationplane.Cemod`eleestdirectementbas´esurnosmesuresdel’´evolution
de la chute de pression `a travers le m´edium en fonction de la masse de particules d´epos´ees et il
s’appuie sur les concepts classiques de colmatage en profondeur et de colmatage en surface.
Finalement, ce chapitre est organis´e comme suit. Nous commencon¸ s par une revue bibliogra-
phique concernant le colmatage des milieux fibreux. Nous passons ensuite a` la pr´esentation de
nos r´esultats exp´erimentaux en commencan¸ t par les observations des structures form´ees par les
particulescaptur´eesauseindesmat´eriaux.L’exploitationdesr´esultatsconcernantl’´evolutionde
la chute de pression en fonction de la masse de particules captur´ees nous permet enfin d’´etablir
notre mod`ele empirique de colmatage. Ce chapitre, pour des raisons pratiques, s’articule autour
de trois points :
– analyse et synth`ese bibliographique concernant le colmatage des milieux fibreux.
– pr´esentationdenosr´esultatsexp´erimentauxencommencan¸ tparlesobservationsdesstruc-
tures form´ees par les particules captur´ees au sein des mat´eriaux.
– exploitation des r´esultats concernant l’´evolution de la chute de pression en fonction de la
masse de particules captur´ees afin d’´etablir notre mod`ele empirique de colmatage.
3.2 Bibliographie sur le colmatage des m´edia plans
3.2.1 R´esultats globaux
Colmatage en profondeur, colmatage en surface
Lorsqu’onanalysel’´evolutiondelachutedepressiond’unm´ediumplan,lorsducolmatageon
distingue classiquement deux phases comme cela est illustr´e par le graphique 3.2 (d’apr`es Walsh
[125]). Ce graphique repr´esente l’´evolution de la chute de pression ainsi que la p´en´etration en
fonction de la masse d´epos´ee. La p´en´etration Π est d´efinie comme le ratio de la concentration
de particules en aval, C , du filtre par celle en amont, C :aval amont
Caval
Π=
Camont
Sa premi`ere phase est caract´eris´ee par un colmatage en profondeur du m´edium. Comme le
sugg`ere son nom, lors de cette phase la capture des particules se fait essentiellement au sein du
m´edium. Lors de cette phase nous observons un changement d’´evolution de la p´en´etration qui
correspond a` une forte augmentation de l’efficacit´e.
L’efficacit´e d’un filtre est d´efinie :
C −Camont aval
ϕ= =1−Π
Camont
La seconde phase quant a` elle correspond au colmatage en surface. Elle est caract´eris´ee par
une ´evolution lin´eaire de la chute de pression en fonction de la masse d´epos´ee. L’´evolution de la
chute de pression est g´en´eralement plus rapide que lors du colmatage en profondeur.
125Chapitre 3. M´edium Plan
´Fig. 3.2 – Evolution de la chute de pression a` travers le m´edium ΔP, en Pa, et de la p´en´etration
2en fonction de la masse d´epos´ee m, en g/m (Walsh [125]).
´Fig.3.3–Evolutiondelachutedepressiondum´edium,enPa,enfonctiondelamassed´epos´ee,
2en g/m pour diff´erents diam`etres de particules (Song et al. [117]).
1263.2. Bibliographie sur le colmatage des m´edia plans
Cependant, il semble que l’´evolution de la chute de pression soit diff´erente dans certains cas.
Song et al. [117], et Chen et al. [23] ont ainsi pu observer que la chute de pression augmente plus
rapidement pendant la phase de colmatage en profondeur qu’apr`es l’apparition du d´epˆot. Ceci
est illustr´e par les graphiques de la figure 3.3 qui montrent l’´evolution de la chute de pression
en fonction de la masse d´epos´ee pour diff´erents diam`etres de particules. La structure du d´epotˆ
semble ˆetre `a l’origine de cette ´evolution. Ces r´esultats sugg`erent que les diff´erents ph´enom`enes
qui controlˆent le colmatage ne sont pas parfaitement compris. Nous essayerons tout de mˆeme de
formuler quelques hypoth`eses permettant de mieux comprendre ces r´esultats.
Enfin, entre ces deux phases, il existe une zone de transition ou` les deux ph´enom`enes de
colmatage, en profondeur et en surface, ont la mˆeme importance.
Certaines observations ont mis en ´evidence l’influence de diff´erents param`etres, tels que
la taille des particules ou la vitesse de filtration, sur le colmatage de m´edium fibreux. Nous
exposerons les r´esultats mais nous ne chercherons pas `a approfondir les explications syst´ema-
tiquement. Nous tenterons de les expliquer apr`es avoir pr´esent´e le colmatage de mani`ere plus
d´etaill´ee dans les parties 3.2.2, 3.2.3 et 3.2.4.
´Fig. 3.4 – Evolution de la chute de pression du m´edium ΔP en fonction de la masse d´epos´ee m,
2en g/m pour diff´erents diam`etres de particules (Thomas et al. [122]).
Influence de la taille des particules Le graphique 3.4, repr´esente l’´evolution de la chute de
2pression, en Pa, en fonction de la masse d´epos´ee, en g/m , pour la mˆeme vitesse de filtration et
pour diff´erents diam`etres de particules. Ces r´esultats sont extraits des travaux de Thomas et al.
[122]. Les particules utilis´ees sont monodisperses en diam`etre. Nous remarquons que la chute de
pression augmente plus rapidement pour les plus petites particules aussi bien pour le colmatage
127Chapitre 3. M´edium Plan
en profondeur que le colmatage en surface. Ce r´esultat est valable pour les deux vitesses de
filtration test´ees.
Influence de la vitesse de filtration La vitesse de filtration a aussi une influence sur l’´evo-
lution de la chute de pression. Ainsi, le graphique 3.5, qui repr´esente l’´evolution de la chute
de pression en fonction de la masse de particules d´epos´ees, pour diff´erentes vitesses de filtra-
tion, montre que plus la vitesse de filtration est ´elev´ee et plus la chute de pression augmente
rapidement. Ces r´esultats ont ´et´e obtenus pour des particules de 0,31μm.
Fig. 3.6 – chute de pression en Pa divis´ee par
Fig. 3.5 – chute de pression en Pa
la vitesse de filtration en m/s
2´Evolution de la chute de pression du m´edium en fonction de la masse d´epos´ee en g/m pour
diff´erentes vitesses de filtration (Thomas et al. [122]).
En divisant la chute de pression par la vitesse de filtration, on obtient la figure 3.6. Nous
pouvons constater que toutes les courbes sont superpos´ees. Cela signifie que la structure du
d´epotˆ form´e par les particules au sein du m´edium et a` sa surface est ind´ependante de la vitesse
de filtration sur la gamme de vitesse de filtration utilis´ee. En effet, en raison des faibles vitesses
de filtration, le Reynolds est suffisamment faible pour que la loi de Darcy soit valide. Ainsi, la
echute de pression du m´edium fibreux peut s’´ecrire sous la forme ΔP =μ u , avec μ la viscosit´efk
2dynamique, e et k respectivement l’´epaisseur et la perm´eabilit´e du milieu poreux . En divisant
ΔP ela chute de pression par la vitesse de filtration, nous avons : =μ . Si la structure form´ee paru kf
les particules, aussi bien au sein du m´edium fibreux que du d´epotˆ , est la mˆeme, alors l’´evolution
pendant la phase de colmatage de l’´epaisseur et de la perm´eabilit´e est identique. C’est pourquoi
nous avons des courbes confondues. Dans ce cas, l’´evolution de la perm´eabilit´e du m´edium et
du d´epˆot ainsi que de son ´epaisseur ne d´ependent que de la masse d´epos´ee et non de la vitesse
de filtration.
Influence de la concentration des particules dans l’a´erosol. Le dernier param`etre, dont
nous allons ´etudier l’influence, est la concentration des particules en amont du m´edium fibreux.
Legraphique3.7repr´esentelachutedepressionenfonctiondelamassed´epos´ee.Nousconstatons
2Comprenant le m´edium et le d´epˆot de surface.
1283.2. Bibliographie sur le colmatage des m´edia plans
que, pour les diff´erentes concentrations qui ont ´et´e utilis´ees, l’influence de celle-ci sur la chute
de pression est faible.
´Fig. 3.7 – Evolution de la chute de pression du m´edium ΔP en fonction de la masse d´epos´ee m,
2en g/m pour diff´erents diam`etres de particules (Thomas et al. [122]).
Influence d’autres param`etres. Bien entendu, nous n’avons pas ´et´e exhaustif en listant
les param`etres pouvant influencer l’´evolution du colmatage. Nous nous sommes content´e de
citer ceux qui nous int´eresserons plus particuli`erement dans cette ´etude. Nous pouvons ´evoquer
comme autres param`etres influencan¸ t l’´evolution du colmatage, la nature des particules [17],
pages 179-200, leurs formes et leurs distributions en taille [42, 40, 39, 41, 15, 85, 84]. L’humidit´e
a aussi un impact sur le colmatage [82, 51, 86], et le colmatage duˆ aux a´erosols liquides est
loin d’ˆetre parfaitement maˆıtris´e et pose encore de nombreux probl`emes [125, 26, 49, 87]. La
charge ´electrostatique des particules ou des fibres modifient de mani`ere importante l’´evolution
du colmatage voir [64, 55, 126, 124, 127] et aussi [17] pages 120 `a 177.
Aspect multi-´echelle. Nous venons de faire des constations macroscopiques sur le compor-
tement d’un m´edium fibreux sous l’effet du colmatage. Une mod´elisation bas´ee sur les r´esultats
exp´erimentauxa` cette´echelle permetla miseaupointde mod`eles empiriques. C’estparexemple
le cas de Laborde et al. [73], Novick et al. [93] cit´e par Del Fabbro et al. [43] et Thomas et al.
[122] pour le colmatage en surface. Or le colmatage d’un m´edium plan peut ˆetre ´etudi´e comme
un processus multi-´echelles. Ainsi Quintard et Whitaker [105] distinguent, sur le sch´ema 3.1,
plusieurs ´echelles d’´etudes possibles, depuis l’´echelle particules/surface de la fibre (´echelle IV)
jusqu’a` l’´echelle de Darcy (´echelle I).
En raison de cet aspect multi-´echelle, il est naturel de distinguer les´etudes r´ealis´ees en fonc-
tion de ces diff´erentes ´echelles. Nous dissocierons ´egalement les ph´enom`enes qui se produisent
dans la profondeur du m´edium de la croissance du d´epˆot en surface. Nous ´evoquerons les diff´e-
rents ph´enom`enes qui contribuent a` la transition entre ces deux phases distinctes de la filtration
que nous venons d’´evoquer. Enfin, nous essayerons de fournir une explication aux r´esultats ex-
p´erimentaux de Chen et al. [23] et de Song et al. [117].
129

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