Analyse physique et modélisation de la séparation centrifuge de particules ultrafines en film fluant : application au séparateur industriel Falcon, Physical analysis and modelling of centrifuge separation of ultrafine particles in a flowing film : application to the Falcon concentrator

De
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Sous la direction de Florent Bourgeois, Éric Climent
Thèse soutenue le 03 décembre 2010: INPT
Les concentrateurs Falcon permettent de séparer des particules en fonction de leur densité. Leur capacité à traiter des débits de suspension importants rend leur utilisation courante dans les procédés miniers. Dans les gammes de tailles ultrafines (entre 1 et 100 μm), leur coupure devient à la fois granulométrique et densimétrique. Ce travail a porté sur la compréhension de leur physique et de ses limites. Une analyse de leurs mécanismes de séparation a abouti à une loi d’échelle analytique, validée expérimentalement. Des investigations plus complètes appliquées aux suspensions ultrafines ont été réalisées numériquement. Finalement un critère physique liant la gamme de taille à séparer aux densités des différentes fractions a été explicité et appliqué à la valorisation de sédiments fins.
-Modélisation
-Séparation physique
-Transport particulaire
-Ultrafines
-Sédiment
-Film fin
-Fluide
Enhanced gravity separators are widely used in minerals beneficiation, as their superior gravity field enables them to separate particles within narrow classes of density and size. This study aims to shed light on the Falcon concentrator’s ability to separate particles with size and density ranges lower than usual, 1 to 100 micrometers and 1.2 to 3.0 s.g. respectively. Differential particle settling being identified as the prevailing separation mechanism under such conditions, this study couples a theoretical and numerical approach with targeted experiments to build a predictive Falcon separation model that embeds phenomenological fluid and particle flow analysis. Based on this model, physical limitations were identified and quantified through explicit relations between operating parameters, and particle size and density ranges. Falcon’s efficiency to beneficiate dredged sediments was characterized in this way.
-Process modelling
-Physical separation
-Particle
-Ultratine
-Sediment
-Thin film
-Fluid
Source: http://www.theses.fr/2010INPT0077/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
Lecture(s) : 46
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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

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