Efficacité de Capture dans les Procédés de Flottation

par Zhujun Huang

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Pascal Guiraud et de Dominique Legendre.


  • Résumé

    Ce travail est consacré à la détermination de l’efficacité de capture de particules par des inclusions fluides (bulles d’air), qui est la base du procédé de flottation. Cette capture, parfois appelée hétérocoagulation, couple l’hydrodynamique de collision bulle-particule et les forces interfaciales entre deux surfaces. Avec l’objectif d’une meilleure compréhension de différents mécanismes, l’étude s’appuie sur la simulation numérique directe (DNS) à l’aide du code JADIM de l’IMFT et l’approche expérimentale locale par la visualisation et divers outils de quantification. L’étude numérique est focalisée sur l’étape collision de la capture. La résolution des équations Navier-Stokes permet d’obtenir le champ de vitesse autour d’une bulle et l’approche lagrangienne d’une particule dans ce champ permet de calculer la trajectoire critique qui détermine finalement l’efficacité de collision. Les simulations couvrent une large gamme de paramètres caractéristiques du problème (nombre de Reynolds de bulle, rapport de diamètre particule/bulle, nombre de Stokes des particules, rapport de vitesse de sédimentation des particule/vitesse de bulle et degré de contamination de la surface de la bulle). L’efficacité de collision est fonction croissante du nombre de Reynolds et du ratio de taille. L’inertie des particules a un effet positif pour les grands nombres de Stokes, ce qui entraine une augmentation remarquable de l’efficacité de collision. Pour les petits nombres de Stokes, un effet négatif a été observé, connu comme force centrifuge qui éloigne la particule de la bulle et en conséquence diminue l’efficacité. La mobilité de la surface de la bulle montre un impact important sur l’efficacité de collision, car elle change totalement l’écoulement autour de la bulle. D’un point de vue expérimental, la visualisation directe de l’interaction entre la bulle et les particules nous permet de lier le modèle de capsule stagnante et le recouvrement de la surface de la bulle par les particules. Ce dernier diminue la vitesse d’ascension de la bulle lors de la capture, du fait de l’alourdissement de la bulle par les particules attachées, ainsi que par le changement de la mobilité de l’interface qui engendre une augmentation de la force de traînée. Une nouvelle approche expérimentale de la mesure de l’efficacité de capture est établie, basée sur la relation entre la vitesse d’ascension de la bulle, la surface recouverte par les particules et le nombre de particules capturées. La confrontation des valeurs des efficacités de capture expérimentales avec celles de la simulation numérique démontre une bonne concordance

  • Titre traduit

    Capture efficiency in the flottation process


  • Résumé

    This work is devoted to determine the efficiency of particles capture by the fluid inclusion (air bubble), which is the basis of the flotation process. This capture process, sometimes called heterocoagulation, combines the dynamics of particle-bubble collision and film drainage with the thermodynamics of the interfacial forces which link the bubble and the particles forming an aggregate. With the aim of better understanding of different mechanisms, the study is based on direct numerical simulation (DNS) by using the code JADIM of IMFT and the experimental approach is performed by the local visualization and various measurements. The numerical study focuses on the collision of the capture process. The resolution of Navier- Stokes equations gives the local flow field around a bubble and the Lagrangian tracking of a particle in this flow field allows us to find out the critical trajectory that determines the collision efficiency. The numerical simulations cover a wide range of the parameters which characterize this problem (bubble’s Reynolds number, particle to bubble size ratio, particle’s Stokes number, particle to bubble terminal velocity ratio and bubble surface contamination level). The collision efficiency increases with the bubble’s Reynolds number and the particle to bubble size ratio. Particle’s inertia has a positive effect for large Stokes numbers, which leads a significant augmentation of the collision efficiency. Meanwhile for small Stokes numbers, a negative inertial effect has been observed, known as centrifuge force that pushes the particles from the bubble surface and therefore reduces the collision efficiency. Bubble’s surface mobility (surface contamination level) shows an important impact on the collision efficiency, because it totally changes the liquid flow around the bubble. On the experimental point of view, direct visualization of the interaction between the bubble and the particles allows us to link the stagnant cap model and surface coverage of the bubble by the captured particles. The later one reduces the bubble rising velocity during the particles capture, since on one hand, the captured particles reduced the bubble’s buoyancy by increases the bubbles affective density, and on the other hand, the change of interface mobility results in an important increase of bubble drag force. A new experimental approach to measure the capture efficiency is established based on the relationship between the bubble rising velocity, the surface covered by particles and the number of particles captured. The comparison between the experimental values with those given by the numerical simulation shows a good agreement

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  • Détails : 1 vol. (224 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 181-188

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées. Bibliothèque centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2009/1018/HUA
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