Modelisation numerique et experimentale du broyage des grains par compression

par OLIVIER LAURENT TSOUNGUI

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de JEAN-CLAUDE CHARMET.

Soutenue en 1998

à Paris 11 .

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  • Résumé

    Broyer des grains pour obtenir des particules de tres petite taille est une operation omnipresente dans de nombreux secteurs tels que l'industrie alimentaire, pharmaceutique ou minerale. Il est generalement reconnu que cette etape est economiquement dispendieuse a la fois par son rendement energetique plus que mediocre et aussi par la faible qualite des produits obtenus. De fait, les enjeux economiques sont grands quant a l'optimisation de tels procedes. D'un point de vue fondamental les connaissances en la matiere sont plus que rudimentaires, car nous sommes encore loin de saisir l'importance de tous les parametres mis en jeu. Ce procede melange deux domaines encore mal connus, celui de la fracture des solides et celui de la mecanique des milieux granulaires. Depuis une trentaine d'annees, les chercheurs se sont tournes vers la conception des modeles theoriques visant a optimiser le broyage. Dans la plupart des cas, ces modeles sont bases sur des approches traditionnelles du type genie chimique. Ils se heurtent, du point de vue de leurs applications, a la determination des matrices de broyage donnant la contribution de chaque espece de particules dans le processus de fragmentation des grains. Notre sujet de recherche porte sur la determination et definition physique de ces matrices de broyage apres une description approfondie des differents mecanismes physiques entrant dans le processus du broyage. Ce travail repose, d'une part, sur une etude du comportement mecanique des milieux granulaires ; et d'autre part, sur la modelisation de la rupture d'un grain soumis a un champ aleatoire de forces de contact. En ce qui concerne l'etude du comportement des milieux granulaires, nous nous interessons particulierement aux fluctuations des forces et des contraintes intergranulaires au sein des systemes sous compression. Deux types d'etudes sont effectues : une etude experimentale et une etude numerique. Dans l'etude experimentale, nous proposons une methode permettant de mett re en evidence l'heterogeneite des fluctuations des forces intergranulaires, et l'anisotropie des reseaux de forces de contact au sein des milieux granulaires sous contrainte. Ces resultats sont completes par ceux des simulations numeriques basees sur la dynamique moleculaire des particules. Pour ce qui est la modelisation de la rupture, nous etudions le comportement mecanique d'un grain unique soumis a un champ aleatoire de forces de contact. Nous proposons une methode de calcul permettant de determiner le champ de contrainte a l'interieur d'une particule sous compression. Cette methode de calcul est validee par une analyse par elements finis. Nous etudions egalement le comportement a la rupture d'un grain en fonction de ses proprietes physiques (forme et taille du grain, distribution de ses micro-asperites, etc. ). Un modele theorique est propose, mettant en relation la force de rupture et les proprietes du grain. Des experiences realisees sur des grains de platre nous permettent de justifier la validite du modele theorique. L'introduction de ces modeles de fissuration des grains dans les simulations numeriques nous permet de suivre pas a pas l'evolution de la granulometrie d'un empilement durant le processus du broyage. Nous mettons alors en evidence l'existence d'une pression de saturation au-dela de laquelle les performances du broyage sont reduites. Ces observations numeriques sont validees par des tests experimentaux. Nous abordons alors enfin la derniere partie de nos travaux par un rassemblement des differentes pieces du pullze pour decrire le phenomene de broyage dans les presses industrielles. Nous etablissons ainsi les premieres bases de notre modele de broyage. Ce modele en cours de developpement devrait ainsi permettre de determiner et d'optimiser la granulometrie initiale necessaire pour ameliorer l'efficacite d'un broyage de grains par compression.


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Informations

  • Détails : 228 P.
  • Annexes : 126 REF.

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  • Bibliothèque : Centre Technique du Livre de l'Enseignement supérieur (Marne-la-Vallée, Seine-et-Marne).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TH2014-014026
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