Dynamique d'écoulement et pellétisation dans un granulateur à rotor

Cette thèse propose différentes approches permettant de quantifier l'évolution de la dynamique d'écoulement particulaire dans un procédé de granulation et évaluer son impact sur celui-ci. Plusieurs types d'équipement permettent d'effectuer la granulation. Pour ce travail, un granulateur à rotor a été sélectionné puisqu'il permet de produire un écoulement de particules relativement simple à caractériser. Le choix de ce granulateur a aussi été basé sur le fait qu'il a été très peu étudié par rapport aux mélangeurs à cisaillement élevé ou les lits fluidisés. Le sujet de cette thèse est approché selon trois angles différents : • La caractérisation et la quantification des patrons d'écoulement et de ségrégation particulaire dans un sphéroniseur modifié (granulateur à rotor); • Le développement d'une méthode originale qui permet de contrôler l'intensité des forces interparticulaires dans un écoulement de particules à l'intérieur d'un sphéroniseur modifié; • Le développement d'un modèle multi-échelle prenant en compte le mouvement des particules afin de prédire la distribution de taille granulaire dans un procédé de granulation à rotor. Dans un premier temps, l'étude d'un écoulement dense d'un mélange de particules de 2 et 4 mm dans un sphéroniseur est effectuée. Pour y arriver, l'emploi d'une méthode par éléments discrets (DEM), une méthode numérique basée sur la seconde loi de Newton, permet de caractériser le déplacement des particules à l'intérieur de l'équipement. Le mélange des particules est analysé à l'aide d'indices de mélange ayant été développés par Doucet et al. (2008) afin de caractériser la ségrégation se produisant dans le domaine de particules. Cette partie du travail permet de montrer que le niveau de remplissage ainsi que la vitesse du disque (rotor) ont un effet significatif sur le phénomène de ségrégation observé. Pour des vitesses de disque variant entre 20 et 100 rad/s, le lit de particules prend la forme d'un tore où deux zones distinctes de ségrégation sont apparentes. Au fur et à mesure que la vitesse du disque augmente, les petites particules ont tendance à migrer de la zone localisée au centre du domaine toroïdal vers la deuxième zone localisée à la paroi du sphéroniseur. Les coefficients de corrélation spatiale employés pour le calcul de l'indice de mélange corroborent cette migration des petites particules. De plus, l'importance de prendre en compte l'intensité du cisaillement pour expliquer ces patrons de ségrégation est aussi exposée. Les deux zones de ségrégation associées à une concentration élevée de petites particules correspondent à l'emplacement où les taux de cisaillement sont les plus faibles. D'un autre côté, une corrélation considérant le niveau de cisaillement est développée afin de prédire le profil des vitesses azimutales des particules dans le sphéroniseur. Cette corrélation permet d'améliorer sensiblement la prédiction des profils de vitesses lorsque l'intensité du cisaillement est élevée. La deuxième partie de cette thèse présente le développement d'une nouvelle approche qui permet de simplifier l'introduction et le contrôle des forces interparticulaires de manière homogène dans un lit de particules en mouvement. Cette approche utilise un copolymère de PEA/PMMA qui, lorsqu'il est soumis à une augmentation de température au-dessus de sa température de transition vitreuse, cause l'apparition de forces cohésives entre des particules qui en sont enrobées. La relation entre les forces interparticulaires induites par le copolymère et l'écoulement des particules enrobées est établie avec l'aide d'un appareil de mesure de surface, plus communément appelé surface force apparatus (SFA). Cet équipement met en évidence l'augmentation linéaire des forces interparticulaires entre 10°C et 50°C. Les forces interparticulaires induites par cette nouvelle approche, comparées avec d'autres types de forces fréquemment rencontrées dans les procédés de granulation, permet de mettre en valeur la large étendue d'intensité de cohésion pouvant être obtenues. Par la suite, l'écoulement de particules cohésives est étudié pour deux applications différentes. La première application considère un écoulement dense de particules normalement observé pendant la granulation humide à l'intérieur d'un sphéroniseur modifié. La deuxième application montre la possibilité de pouvoir reproduire l'écoulement des particules observées dans les lits fluidisés à haute température avec l'avantage de pouvoir les opérer près de la température ambiante. La troisième partie de cette thèse utilise spécifiquement la méthode d'introduction des forces interparticulaires précédemment proposée afin de caractériser les écoulements de particules cohésives dans un sphéroniseur modifié. En contrôlant le niveau d'intensité des forces interparticulaires, quatre différents états d'écoulement sont obtenus. Le premier état est caractérisé par un écoulement libre des particules, lequel est observé près de la température ambiante. Le deuxième état est associé à l'apparition d'agglomérats à la surface du lit de particules, lesquels augmentent de taille à mesure que la température est haussée. Le troisième état fait référence à la formation d'une seconde couche de particules agglomérées dont le volume change de manière périodique en fonction du temps. Le quatrième état est caractérisé par un écoulement en masse produit par l'agglomération quasiment complète des particules. L'emploi d'un profileur laser permet de quantifier les différents états d'écoulement en mesurant la forme du tore obtenu ainsi que la variabilité de la position du profil de la surface du lit de particules. À la suite des résultats obtenus, un diagramme des états d'écoulement est construit. Ce diagramme montre le potentiel de cette approche pour imiter les écoulements cohésifs propres aux procédés de granulation humide. En conséquence, il est recommandé que la granulation humide soit opérée dans des conditions permettant d'obtenir le deuxième état d'écoulement décrit précédemment. Ceci est expliqué par le fait que les forces interparticulaires permettent d'induire la formation d'agglomérats sans toutefois nuire au mélange granulaire qui est essentiel pour obtenir un produit homogène. La quatrième partie de cette thèse utilise un modèle multi-échelle qui fait intervenir un bilan de population résolu à l'aide d'une méthode de Monte-Carlo commandée par événement. Ce bilan de population est utilisé pour simuler la granulation humide dans un sphéroniseur modifié. Il prend en compte l'échelle particulaire en considérant trois mécanismes de granulation qui sont le mouillage des particules, la coalescence et le bris. D'autre part, à l'échelle du granulateur, l'intégration du mouvement granulaire est prise en compte à l'aide d'une compartimentation du lit de particules. À l'aide d'une approche utilisant une chaîne de Markov à temps continu, les mouvements de particules entre les zones peuvent alors être considérés. La construction des propriétés de la chaine de Markov, soient le temps de séjour dans les zones et la matrice indiquant la probabilité de transition des particules entre celles-ci, est effectuée grâce aux résultats ayant été obtenus à l'aide de la DEM dans la première partie de cette thèse. Une fois le modèle multi-échelle mis en place, celui-ci est comparé à un modèle utilisant un bilan de population qui ne tient pas compte du déplacement des particules. Les résultats de simulation obtenus sont comparés aux expériences de granulation afin de voir les améliorations obtenues avec le modèle multi-échelle. Il apparaît que pour des conditions où le taux de mouillage est modéré, la considération du mouvement des particules permet d'améliorer les résultats de la modélisation. La distribution de taille des particules en fonction du temps correspond mieux à la tendance observée expérimentalement qu'avec un bilan de population conventionnel. Par contre, pour un taux de mouillage élevé, le modèle multi-échelle et le bilan de population conventionnel donnent sensiblement les mêmes résultats.