Dynamique particulaire dans des lits fixes et rotatifs

Les matériaux particulaires sont couramment employés dans une grande variété d'industries (pharmaceutique, alimentaire, céramique, polymère, chimique, métallurgique, traitement des déchets, etc.) où ils sont soumis à un large éventail d'opérations unitaires (p.ex. mélange, réduction de taille, séchage, réaction chimique). Les écoulements particulaires peuvent être regroupés selon trois régimes: quasi-statique, dense ou rapide. Les régimes quasi-statiques et rapides sont ceux qui ont été le plus souvent étudiés. L'étude des écoulements particulaires denses est plus complexe étant donné que ce régime regroupe une grande variété d'écoulements où la contribution relative des contraintes dues à la friction et aux collisions à l'écoulement est inconnue. Cette thèse propose donc de caractériser les écoulements denses en lits fixes et rotatifs. Les lits particulaires fixes sont utilisés lors de procédés catalytiques hétérogènes et pour la purification de gaz. Bien qu'il s'agisse de lits fixes, plusieurs événements font en sorte que les particules peuvent se déplacer. L'écoulement en lit fixe de particules sphériques pouvant survenir lors de la pré-purification de l'air réalisée dans un réacteur à flux radial (RFR) à l'aide d'un procédé d'adsorption par oscillations thermiques (TSA) est étudié. Ce type de procédé a été sélectionné étant donné sa grande popularité industrielle. Les parois soutenant le lit fixe peuvent se contracter et/ou se dilater suite aux importantes différences de température entre les différentes phases d'opération du procédé TSA. Ces mouvements de parois sont susceptibles d'endommager les particules du lit fixe, entraîner la création de vides locaux, provoquer la ségrégation de particules ainsi que mélanger les adsorbants. Tout cela peut évidemment avoir des conséquences sur l'uniformité de l'écoulement du gaz à travers le lit fixe ainsi que sur le rendement et l'efficacité du procédé. Il est donc nécessaire d'évaluer l'effet d'une contraction et d'une expansion thermique cyclique des murs d'un RFR utilisé pour la pré-purification de gaz sur un lit particulaire fixe. À cette fin, la méthode des éléments discrets (DEM) a été employée puisque les techniques de mesure expérimentale perturbatrices ou non-perturbatrices ne sont pas facilement applicables à l'étude de ce genre d'écoulement. Les cylindres rotatifs, aussi appelés fours rotatifs, sont couramment utilisés dans une grande variété de procédés industriels étant donné leur grande simplicité d'opération, leur efficacité adéquate de transfert de masse et de chaleur ainsi que leur capacité à traiter des matières premières hétérogènes. La compréhension fondamentale des phénomènes qui se produisent à l'intérieur de cylindres rotatifs est essentielle pour concevoir et opérer de manière optimale ce genre d'équipement. De très nombreuses études ont tenté d'élucider les mystères de l'écoulement granulaire à l'intérieur de cylindres rotatifs. Cependant, la grande majorité d'entre elles se sont limitées au cas de particules sphériques. Pourtant, comme il a été mentionné, un des avantages des cylindres rotatifs est de pouvoir traiter une matière première ayant une large distribution de taille et/ou de forme. Il s'avère donc nécessaire de caractériser la dynamique de particules non-sphériques à l'intérieur d'un cylindre rotatif. Dans ce cas-ci, une approche expérimentale a été employée puisque les méthodes de simulations numériques comme la DEM ne sont pas parfaitement adaptés pour étudier la dynamique de particules non-sphériques. La technique de suivi de particules radioactives (RPT) est, à cet égard, appropriée pour effectuer cette étude. Dans le cadre de cette thèse, des comprimés pharmaceutiques sont choisis pour représenter les particules non-sphériques. Cependant, leur utilisation comme traceur pour la RPT implique que la source d'émission de rayons gamma n'est pas ponctuelle. De ce fait, une plus grande incertitude quant à la reconstruction de la position du traceur est attendue. Par conséquent, il est nécessaire de développer une stratégie d'optimisation permettant d'identifier un positionnement optimal des détecteurs à scintillation pour la technique de suivi de particules radioactives pour ainsi minimiser l'erreur commise par à l'utilisation d'une source non-ponctuelle. La première partie de cette thèse présente l'évaluation de l'effet, sur un lit particulaire fixe, d'une contraction et d'une expansion thermique cyclique des murs d'un RFR utilisé pour la pré-purification de gaz à l'aide de la DEM. Il s'agit de la première étude réalisée sur ce genre d'écoulement. La précision du modèle DEM construit a été évaluée en utilisant les valeurs expérimentales de porosité d'un lit fixe, les valeurs analytiques de pression prédites par la théorie de Janssen ainsi que les valeurs expérimentales de pression mesurée aux parois du lit fixe d'une unité commerciale de pré-purification de l'air. L'utilisation de la DEM dans le cadre de cette étude a permis d'évaluer la dispersion particulaire pouvant survenir à l'interface des adsorbants composant le lit fixe. Cette mesure peut permettre d'évaluer la qualité du lit fixe après plusieurs années d'utilisation. Il est important de noter que le modèle DEM développé ne considère pas l'effet du gaz circulant à travers le lit fixe de même que les changements au niveau des propriétés particulaires pouvant survenir en cours de cycle. Néanmoins, les résultats obtenus avec le modèle montrent que la DEM est un outil utile pour l'étude de ce type de dynamique lente, à condition qu'une calibration minutieuse ait été préalablement réalisée. La seconde partie de cette thèse présente la stratégie d'optimisation développée pour identifier un positionnement optimal des détecteurs à scintillation. Celle-ci utilise une méthode de recherche directe à maillage adaptatif (MADS) comme algorithme d'optimisation ainsi que la résolution des détecteurs comme fonction-objectif. La validation et l'application de cette stratégie a permis de démontrer que celle-ci permet l'identification d'une configuration optimale des détecteurs qui est propre à l'objectif de l'étude ainsi qu'aux conditions expérimentales. Elle peut donc facilement être appliquée à d'autres types d'études que celle réalisée dans le cadre de cette thèse. Finalement, la troisième partie de cette thèse présente la caractérisation de la dynamique de particules non-sphériques à l'intérieur d'un cylindre rotatif. Les données recueillies ainsi que les observations réalisées en laboratoire permettent de supposer que les particules non-sphériques s'écoulent selon une orientation préférentielle. Cette dernière semble être une des raisons pouvant expliquer les différences observées entre certaines particules non-sphériques et les particules sphériques. Le mélange et la ségrégation à l'intérieur d'un cylindre rotatif de particules de formes similaires mais de tailles différentes ainsi que de masses similaires mais de formes différentes a aussi été étudiés. Une ségrégation radiale traditionnelle, où les particules petites ou denses se retrouvent au centre de l'écoulement alors que les grosses et légères se retrouvent en périphérie, a été observée dans la plupart des cas. Une ségrégation radiale inverse a toutefois été observée dans le cas où de grosses particules longues et plates étaient mélangées à de petites particules denses. Dans ce cas-ci, les petites particules denses se sont retrouvées en périphérie de l'écoulement plutôt que dans le centre. Les résultats obtenus ont permis pour la première fois de mettre en évidence l'effet que peut avoir la forme de la particule sur la dynamique, le mélange et la ségrégation de celle-ci.

Abstract

Particulate materials (also referred as granular materials) are widely used in a great variety of industries (pharmaceutical, food processing, ceramic, polymer, chemical, metallurgical, waste treatment) where they are subjected to a wide range of operations (e.g. mixing, size reduction, drying, chemical reaction). Granular flow can be grouped into three regimes: quasi-static, dense or fast. The quasi-static and rapid granular flows have been studied the most. The study of dense granular flows is more complex since this regime includes a broad range of flows where the relative contribution of frictional and collisional stresses is unknown. Hence, this thesis proposes to characterize the dense granular flows occurring in fixed and rotating beds. Fixed beds are mostly used in heterogeneous catalytic processes or for gas purification. Even though they are considered fixed, several factors can induce particles motion. The flow of spherical particles that could occur during air pre-purification using a thermal swing adsorption (TSA) process in a radial flow reactor (RFR) is studied. This type of process was selected due to its wide industrial use. When a RFR is used in conjunction with a thermal swing regeneration step, the reactor mechanical components (e.g. reactor vessel) contract and expand because of substantial temperature differences between the different operating phases. The axial and/or radial relative motions between the vessel walls and the bed of adsorbents can damage the adsorbents bed by breaking the particles, creating voids, inducing particle settling and promoting mixing of layered adsorbents. All of this will inevitably affect flow uniformity as well as process efficiency. It is thus needed to study the effect of this cyclic expansion and contraction of the RFR vessels on the fixed bed. The discrete element method was used to conduct this investigation as most experimental measurement techniques, whether they are invasive or non-invasive, are either not readily applicable or extremely costly to implement in this situation. Rotating drums, also referred as rotary kiln, are widely used to process granular materials in a great variety of industries due to their adequate mixing and heat transfer efficiency as well as their ability to handle heterogeneous feedstock. Understanding the phenomena occurring inside rotating drums at a fundamental level is essential for optimal design and operation of this equipment. A considerable amount of experimental work has been performed in order to elucidate the behavior of granular flow inside a rotating drum. However, a majority of these investigations have involved spherical or nearly spherical particles. Yet, as was previously mentioned, one advantage of rotating drums is their ability to handle varied feedstocks, i.e. granular material having a wide distribution of size, density, shape, roughness or else. It is therefore necessary to characterize the dynamics of non-spherical particles inside a rotating drum. In this case, an experimental approach was used since the numerical methods like the DEM are not well suited for studying dynamics of non-spherical particles. The radioactive particle tracking (RPT) technique is appropriate to carry out this investigation. In the context of this thesis, pharmaceutical tablets were used to represent non-spherical particles. However, the use of a large pharmaceutical tablet as a tracer particle in the RPT technique implies that the source of the gamma rays emission is no longer a point source. Therefore, a greater uncertainty in the reconstruction of the tracer particle trajectory is expected. Hence, it is needed to develop an optimization strategy to find an optimal set of positions for the scintillation detectors used in the RPT technique in order to minimize the error introduced by the use of a non-point source. The first part of this thesis presents an evaluation of the effect, on a bed of adsorbents, of a cyclic thermal expansion and contraction of the vessels of a RFR used for gas pre-purification using the DEM. This is the first reported study of granular flow of this kind. The accuracy of the DEM-based model was assessed using experimental values of bed porosity, analytical values of predicted wall pressure based on Janssen's theory, and experimental values of wall pressure measured during the operation of a full-scale unit. In this study, the use of DEM simulations enabled the computation of a dispersion coefficient at the interface of the adsorbents. This dispersion coefficient could be used to assess the fixed bed quality after several years of use. It must be noted that the DEM-based model developed does not consider the effect of the circulating gas and the changes in particle properties likely to occur in the course of a cycle. Nevertheless, the results obtained with the proposed model show that the DEM is a valuable tool for the investigation of such slow dynamical processes, provided a careful calibration is done The second part of this thesis presents the optimization strategy developed to determine an optimal set of scintillation detector positions and orientations. This strategy uses a mesh adaptive direct search (MADS) optimization algorithm and the detectors resolution as an objective function. The results of this work showed that the optimal positioning found by the optimization strategy is sensitive to both the objectives of the study and the experimental conditions. It can therefore be easily applied to studies different from the one conducted in this thesis. Finally, the third part of this thesis presents the characterization of the dynamics of non-spherical particles in a rotating drum. The data collected and the observations made in the laboratory showed that non-spherical particles tend to flow with a preferred spatial orientation. This preferred spatial orientation can be one of the reasons that could explain the differences observed between the flow of spherical and non-spherical particles. Mixing and segregation of bi-disperse mixtures of mono-shaped tablets and bi-disperse mixtures of bi-shaped tablets were also investigated. A traditional core segregation pattern, where the smaller/denser particles are found in the center of the bed while the larger/lighter particles are found on the outside, was observed in most cases. However, a reverse core segregation pattern was observed when long and large particles were mixed with small compact particles. In this case, the smaller/denser particles were found on the outside of the bed instead of in the center. The results obtained with this investigation are of interest in that they highlight for the first time the effect that the shape of a particle may have on flow dynamics as well as on mixing and segregation inside a rotating drum.