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i
R ésumé
F r ançais
Les concentr a t eur s F alcon perme t t ent de sépar er des particules en
f onction de leur densit é. Leur capacit é à tr ait er des débit s de sus-
pension important s r end leur utilisa tion cour ant e dans les pr océ dés
minier s. Dans les g ammes de tailles ultr afines (entr e 1 e t 100 µm),
leur coupur e de vient à la f ois gr anulométrique e t densimétrique.
Ce tr a v ail a port é sur la compr éhension de leur ph y sique e t de ses
limit es. U ne analy se de leur s mécanismes de sépar a tion a abouti à
une loi d’échelle analytique, v alidée e xpérimentalement. Des in v es-
tig a tions plus complèt es appliquées aux suspensions ultr afines ont
ét é r éalisées numériquement.
F inalement un critèr e ph y sique liant la g amme de taille à sépar er
aux densit és des différ ent es fr actions a ét é e xplicit é e t appliqué à la
v alorisa tion de sé diment s fins.
English
Enhance d gr a vity separ a t or s ar e widely use d in miner als bene-
ficia tion, as their superior gr a vity field enables them t o separ a t e
particles within narr o w classes o f density and siz e. This study aims
t o she d ligh t on the F alcon concentr a t or ’ s ability t o separ a t e particles
with siz e and density r ang es lo w er than usual, 1 t o 100 micr ome t er s
and 1:2 t o 3:0 s.g. r espectiv ely .
Differ ential particle se t tling being identifie d as the pr e v ailing se-
par a tion mechanism under such conditions , this study couples a
theor e tical and numerical appr oach with tar g e t e d e xperiment s t o
build a pr e dictiv e F alcon separ a tion model tha t embe ds phenome-
nological fluid and particle flo w analy sis.
Base d on this model, ph y sical limita tions w er e identifie d and quan-
tifie d thr ough e xplicit r ela tions be t w een oper a ting par ame t er s , and
particle siz e and density r ang es. F alcon ’ s efficiency t o beneficia t e
dr e dg e d se diment s w as char act eriz e d in this w a y .« L 'h ypot hèse la plus élabor ée ne saur ait r emplacer la r éalit é la
plus banc ale. »
| F r é déric Dar d
À déf aut d’a v oir suffisamment lu San-Ant onio, il aur a f allu la per sé v é-
r ance de deux dir ect eur s de t hèse t r ès impliqués et ex cellent s pé dag ogues
pour par v enir à me f air e accep t er cet t e v ér it é. P our leur enc adr ement
pr ésent sans êt r e t r op dir ectif , pour la pertinence de leur s conseils même
s’ils n ’ ont pas t oujour s ét é assez écout és et pour leur soutien encour a-
g eant, Flor ent et Ér ic mér it ent t out e ma r econnaissance. Je r emer cie donc
chaleur eusement Flor ent pour m’a v oir ou v ert à des domaines scientifiques
nou v eaux, pour son r ecul qui per met d’appr éhender t héor ie, applic ation et
empir isme comme un t out, et pour la qualit é de son enseig nement auquel
je dois l’accomplissement de ce t r a v ail, particulièr ement la partie pr a-
tique. Je suis é videmment aussi t r ès r econnaissant en v er s Ér ic. Son espr it
synt hétique et la clart é de ses ex plic ations ont ét é un fil conduct eur t out
au long de la t hèse. A ucune h ypot hèse ne r emplace la r éalit é, mais a v ec
un ex cellent modélisat eur comme lui, les h ypot hèses semblent pou v oir s’en
appr ocher , même parf ois l’at t eindr e, v oir e la sur passer .
P our m’aider à appliquer les inst r uctions a visées de mes deux dir ec-
t eur s de t hèse, j’ai ét é accompag né par l’équipe t echnique du Labor at oir e
de Génie Chimique que je tiens à r emer cier . Je r emer cie particulièr ement
Chr istine R e y-R ouch pour le t emps qu’elle m’a accor dé et pour son t em-
pér ament éner gique communic atif bien utile pour f air e f ace aux mesur es
ex pér iment ales r éc alcit r ant es . Je r emer cie aussi les per sonnes du Bur eau
de R echer che Géologique et Minièr es , not amment Maur ice Sa v e, Solène
T ouz é et Mickael Beaulieu, qui m’ ont accueilli sur leur sit e d’Or léans pour
mes pr emier s essais ex pér iment aux, ainsi que les aut r es part enair es du
pr ojet PR OPSED qui ont manifest é un int ér êt pour mon t r a v ail t r ès v alo-
r isant et encour ag eant.
En matièr e de conseils , je r emer cie particulièr ement les membr es de
mon jur y de sout enance qui, bien que n ’ét ant int er v enu qu’au st ade final
de mon t r a v ail, ont lar g ement cont r ibué à amélior er le document pr ésent é
ci-apr ès gr âce à la pertinence de leur s r emar ques , aux (parf ois longues)
discussions qu’ils m ’ ont accor dées et à leur s r apport s t r ès dét aillés . Jer emer cie aussi t ous les participant s aux r encont r es du départ ement Génie
des Int erf aces et des Milieux Divisés qui ont jalonné mon emploi du t emps
d’ét apes bien utiles pour synt hétiser mon t r a v ail et qui m’ ont f ait bénéficier
de la cr itique const r uctiv e d’aut r es cher cheur s .
Je tiens aussi à r emer cier l’ensemble des doct or ant s du L GC pour
leur sympat hie qui f ait de ce labor at oir e un lieu de t r a v ail agr éable.
L ’association Alambic et ses membr es mér it ent une at t ention particulièr e
pour a v oir v eillé à ent r et enir l’échang e ent r e doct or ant s et aut r es per son-
nels , et pour maint enir ainsi la qualit é de cet en vir onnement de t r a v ail. Je
tiens particulièr ement à r emer cier ceux, doct or ant s et aut r es , a v ec qui j’ai
t r a v er sé t out ou partie de ces t r ois années au L GC. Har old, Const ant, El-
ham, Filipa, malgr é un déménag ement et de multiples chang ement salles ,
j’ai t oujour s l’impr ession de part ag er mon bur eau a v ec eux. Mer ci aussi
à Y ouen, Nicolas , Bap tist e et Nat halie dont l’amitié a lar g ement dépassé
les mur s du labor at oir e. Et finalement mer ci à t ous les Nic(h)olas , Cé-
line, Car ole, T an ya, A ur élien, Guiller mo et les aut r es si nombr eux qu’il y
aur ait pr esque de quoi écr ir e une list e exhaustiv e de t ous les pr énoms
exist ant s . . . et encor e, sans comp t er ceux que j’ oublie.
Dans le r egist r e per sonnel, je r emer cie aussi mes par ent s , mas sœur et
t out e ma f amille qui m’épaulent depuis bien a v ant mon t r a v ail de t hèse.
Mer ci aussi à Cécile qui part ag e ma vie et même un peu mon t r a v ail sur
la fin de cet t e t hèse, qui s’est énor mément in v estie et a per mis de r endr e
cet t e t hèse la plus dig est e possible, malgr é l’ésot ér isme du pr emier jet.
Ce tr a v ail a r eçu le soutien financier du pr ogr amme PREC ODD 2007 de l’ Ag ence
N a tionale de la R echer che (ANR), dans le cadr e du pr oje t PR OPSED.T able des ma ti er es
Intr oduction 1
R éf ér ences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1 Cont e xt e de l’étude 3
1 C adr e de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Cont e xt e économique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Le pr oje t PR OPSED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 T ri gr a vimétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 P art enair es participant au pr oje t . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 T r a v ail r éalisé au L GC . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4 R e t ombées scientifiques , économiques e t en vir on-
nementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Sépar a t eur centrif ug e F alcon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Sépar a t eur s centrif ug es usuels . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Les g ammes de sépar a t eur s F alcon . . . . . . . . . . . . . 11
3 Double objectif de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1 P r obléma tique industrielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.1 P r é diction de la sépar a tion dans un F alcon . . . . . 13
3.1.2 Applica tion à la dépollution de sé diment s . . . . . . 13
3.2 P r obléma tique scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 R éf ér ences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Ma t ériel e t méthodes 17
1 Outils d’analy se . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1 La v abilit é . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Surf ace de sépar a tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Densit é de coupur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4 Écart pr obable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22vi
2 Installa tion e xpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Concentr a t eur F alcon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.1 Alimenta tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2 P ar amètr es opér a t oir es . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 P r épar a tion des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 Suspension de silice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 de cok e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 Échantillonnag e pour les mesur es . . . . . . . . . . . 29
2.3 Mesur es r éalisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 Mesur es gr anulométriques par diffr action laser . . . 31
2.3.2 es de concentr a tion . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 Mesur e de densit é appar ent e . . . . . . . . . . . . . 34
3 R éf ér ences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Modélisa tion du concentr a t eur F alcon 37
1 Hypothèses de modélisa tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.1 T r ansport e t piég eag e : deux mécanismes de sépar a tion . 39
1.1.1 T r ansport dans le film . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.1.2 R ét ention dans le lit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.2 Critèr e de captur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.2.1 Longueur de sé dimenta tion . . . . . . . . . . . . . . 42
1.2.2 F r action solide piég ée dans le bol . . . . . . . . . . . 43
2 Suivi des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.1 Simula tion de l’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.1.1 Analy se du champ de vit esse . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.2 Épaisseur du film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.3 V it esse azimutale e t pr ofil de P oiseuille . . . . . . . 49
2.2 R égime de tr ansport des particules . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.1 Milieu dilué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.2 Masses ponctuelles e t échelles de longueur . . . . . 52
2.2.3 R égime de S t ok es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.4 Inertie des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3 Bilan des f or ces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4 C alcul des tr aject oir es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 R éf ér ences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4 Sépar a tion de suspensions diluées 61
1 Analy se ph y sique de la sépar a tion . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.1 P r é diction théorique e t loi d’échelle . . . . . . . . . . . . . 63
1.1.1 C alcul de la longueur de sé dimenta tion . . . . . . . 64
1.1.2 C alcul de la surf ace de sépar a tion . . . . . . . . . . 67
1.1.3 F r actions dans le concentr é e t dans les r eje t s . . . . 69
1.2 Compar aison a v ec des r ésulta t s e xpérimentaux . . . . . . 69vii
1.2.1 T aux de r écupér a tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
1.2.2 F onction de coupur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2 R ésolution numérique du pr oblème ph y sique . . . . . . . . . . 76
2.1 Suivi Lagr angien e t bilan des f or ces . . . . . . . . . . . . . 77
2.2 Méthode de r ésolution numérique . . . . . . . . . . . . . . 78
2.3 Utilisa tion du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3 Compar aison de la r ésolution numérique a v ec la loi d’échelle
analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.1 V alida tion de la méthode de r ésolution . . . . . . . . . . . 80
3.1.1 R ésolution de la ph y sique simplifiée . . . . . . . . . 80
3.1.2 C alibr a tion du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2 C as des particules gr enues ou tr ès denses . . . . . . . . . 82
3.2.1 Effe t du nombr e de R e ynolds particulair e . . . . . . 82
3.2.2 Effe t du e de S t ok es . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 Optimisa tion des conditions opér a t oir es . . . . . . . . . . . . . 86
4.1 Critèr es d’ optimisa tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.1.1 Écart pr obable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.1.2 Densit é de coupur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Limit es ph y siques de la sépar a tion d’ultr afines dans un
F alcon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.1 Écart pr obable e t densit é de coupur e . . . . . . . . 89
4.2.2 P assag e aux plus gr andes échelles . . . . . . . . . . 90
5 R éf ér ences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5 Sépar a tion de suspensions concentr ées 93
1 Modélisa tion des v aria tions du champ de concentr a tion . . . . 95
1.1 Concentr a tion locale dans le film fluant . . . . . . . . . . . 95
1.1.1 V olumes finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1.1.2 Conditions limit es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
1.1.3 R ésolution sta tionnair e . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
1.1.4 Schéma amont d’ or dr e 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.2 Champ de vit esse des particules . . . . . . . . . . . . . . . 103
1.2.1 V it esse de sé dimenta tion . . . . . . . . . . . . . . . . 103
1.2.2 P r opriét és locales de la suspension . . . . . . . . . . 105
2 R ésolution du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.1 C alcul des champs de vit esse e t de concentr a tion . . . . . 107
2.2 Critèr e de captur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.3 Utilisa tion du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.3.1 Comport ement en milieu dilué . . . . . . . . . . . . 109
2.3.2 Effe t de la concentr a tion sur la sépar a tion . . . . . 111
3 Sépar a tion en milieu é . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.1 Effe t s r ela tifs des différ ent s mécanismes . . . . . . . . . . 113
3.2 Int égr a tion de l’effe t de la concentr a tion dans le modèle
dilué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117viii
3.2.1 Densit é appar ent e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.2.2 Effe t sur la constant e de calag e . . . . . . . . . . . . 119
3.2.3 Loi d’échelle analytique corrig ée e t r ésolution nu-
mérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4 R éf ér ences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6 Applica tion à la v alorisa tion de sé diment s 129
1 Ph y sique de la sépar a tion dans un F alcon . . . . . . . . . . . . 131
1.1 Compr éhension des mécanismes sous-jacent s . . . . . . . 131
1.2 V alida tion e xpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
1.3 V alida tion numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2 Limit es de la sépar a tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2.1 R égime de tr ansport des particules ultr afines . . . . . . . 134
2.2 Exploita tion de la loi d’échelle analytique . . . . . . . . . . 135
2.2.1 Condition nécessair e à la sépar a tion densimétrique
en milieu dilué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
2.2.2 Effe t de la concentr a tion . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3 V alorisa tion e t dépollution de sé diment s . . . . . . . . . . . . . 140
3.1 C ar act érisa tion des sé diment s . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.2 R écupér a tion de la fr action v alorisable par sépar a tion
gr anulo-densimétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.2.1 P r opr e t é de la fr action v alorisable . . . . . . . . . . 141
3.2.2 Amélior a tion du pr océ dé par une étape d’a t trition . 145
4 Conclusion e t per spectiv es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5 R éf ér ences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Nomencla tur e 151
T able des figur es 155
List e des tableaux 159
A Données e xpérimentales 161
B C ar act érisa tion d’un sé diment 179
C Articles 183
1 Fluid dynamics base d modeling o f the F alcon concentr a t or f or
ultr afine particle beneficia tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
2 Beneficia tion o f concentr a t e d ultr afine suspensions with a F al-
con UF concentr a t or . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195