Mechanical properties of cohesionless and cohesive bulk solids : transition from non-cohesive to cohesive powders

par Somik Chakravarty

Thèse de doctorat en Génie des Procédés Industriels et développement durable : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)

Sous la direction de Martin Morgeneyer.

Soutenue le 25-05-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Transformation Intégrée de la Matière Renouvelable / TIMR (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Les propriétés mécaniques des solides en vrac pulvérulents et cohésives : transition de non-cohérente de poudres cohésives


  • Résumé

    La manutention et la mise en œuvre des matériaux granulaires libèrent de fines particules de poussière qui, dans un contexte professionnel, peuvent gravement affecter la santé et la sécurité des travailleurs, ainsi que le fonctionnement global de l'installation. L’émission de poussières et la capacité d'un matériau à libérer des particules de poussière, dépendent de plusieurs paramètres relatifs au matériau mais aussi au procédé. Ces émissions sont généralement mesurées par des tests d'empoussièrement à l'échelle du laboratoire. Ces tests reposent principalement sur des études expérimentales et manquent de capacité prédictive fiable en raison d'une compréhension limitée des mécanismes mis en jeu et des interactions complexes entre particules, paroi et fluide, survenant simultanément pendant la génération de poussières. Dans le cadre du projet EU ITN T-MAPPP, cette thèse utilise des approches expérimentales et statistiques pour comprendre les mécanismes de génération de poussières en étudiant: a) les effets des caractéristiques des particules et poudres en vrac sur l’émission de poussières; b) la nature et l'ampleur des interactions entre particules, entre particules et parois, et entre particules et fluides; c) l'évolution de l'empoussièrement et des mécanismes de génération pour des applications de poudre de longue durée. Les résultats indiquent que les mécanismes de génération de poussière diffèrent en fonction de la taille des particules et de la distribution de taille de la poudre. Pour les échantillons d'essai et les conditions expérimentales donnés, les différences dans les modèles initiaux de libération de poussière peuvent être caractérisées par trois groupes différents de poudres : - des poudres contenant des particules cohésives fines, - des poudres bimodales (constituées de fines et de grosses particules), - et enfin des poudres constituées de grosses particules. Tandis que la cohésion globale, surtout celle due aux forces de van der Waals (mesurée à l'aide de testeurs de cisaillement) détermine le niveau de poussières pour les poudres fines, de telle sorte qu'une cohésion globale plus élevée conduit à moins de poussière, la fraction de particules fines et la cohésion déterminent toutes deux l'empoussièrement provenant des poudres bi-modales. Les grosses particules peuvent émettre de la poussière uniquement par usure des particules primaires en particules fines aérosolisables plus petites. L'analyse d'un mouvement de particules tracées à l'intérieur d'un tube cylindrique agité par un testeur d'empoussiérage à vortex montre une nature cyclique du mouvement des particules. Le mouvement des particules (position et vitesse) est symétrique et isotrope dans le plan horizontal, les vitesses radiales les plus basses et les plus élevées étant proches du centre du tube et de la paroi, respectivement. Les particules ont tendance à s'élever lentement au milieu du tube tout en descendant rapidement près de la paroi. Les valeurs les plus élevées de la vitesse se trouvent aux hauteurs les plus élevées et près de la paroi interne du tube à essai, où les densités de population sont les plus faibles. Les valeurs plus élevées de la vitesse pourraient provenir d’une diminution du nombre de chocs due à des densités de population plus faibles. L'augmentation de la taille des particules et des vitesses de rotation des tourbillons tend à augmenter la vitesse des particules tandis que l'augmentation de la masse de poudre conduit à une diminution de la vitesse des particules pour des vitesses de rotation allant jusqu'à 1500 tr / min. Pour les échantillons donnés (carbure de silicium, alumine et coke d'acétylène) et les conditions expérimentales, l'empoussièrement initial est déterminé par la fraction de fines particules respirables présentes dans la poudre, mais les modèles et les niveaux de génération de poussière à long terme sont influencés par le comportement d’attrition matérielle.


  • Résumé

    Handling and processing of granular material release fine solid dust particles, which in an occupational setting, can severely affect worker health & safety and the overall plant operation. Dustiness or the ability of a material to release dust particles depends on several material and process parameters and is usually measured by lab-scale dustiness testers. Dustiness tests remain mostly experimental studies and lack reliable predictive ability due to limited understanding of the dust generation mechanisms and the complex interactions between the particles, wall and fluid, occurring simultaneously during dust generation. In the framework of EU ITN project T-MAPPP, this thesis uses an experimental approach to understand the dust generation mechanisms by studying: a) the effects of key bulk and particle properties on powder dustiness; b) the nature and magnitude of inter-particle, particle-wall and particle-fluid interactions; c) the evolution of dustiness and generation mechanisms for long duration powder applications. The results indicate that the dust generation mechanisms differ based on particle size and size distribution of the powder. For the given test samples and experimental conditions, the differences in powder dustiness and dust emission patterns can be characterized by three different groups of powders; powders containing fine cohesive particles, bi-modal (consisting of fine and large particles) powders and lastly, powders consisting of only large particles. While bulk cohesion, especially that stemming from van der Waals forces (measured using shear testers) determines the level of dustiness for the fine powders (in such a way that higher bulk cohesion leads to lower dustiness), both the fraction of fine particles and cohesion determine the dustiness of bi-modal powders. The large particles can emit dust only through attrition of the primary particles into smaller aerosolizable fine particles. Analysis of a traced particle motion inside a cylindrical tube agitated by a vortex shaker dustiness tester shows the cyclic nature of the particle motion. The motion (position and velocity) is symmetric and isotropic in the horizontal plane with lowest radial velocities close to the tube centre and highest at the boundary wall of the test tube. The particles tend to rise up slowly in the middle of the tube while descending rapidly close to the wall. The highest values of the velocity are found at the highest heights and close to the wall of the test tube, where the population densities are lowest. Increasing particle size and vortex rotation speeds tends to increase particle velocity whereas increase in powder mass leads to a decrease in particle velocity for rotation speeds up to 1500 rpm. For the given samples (silicon carbide, alumina and acetylene coke) and the experimental conditions, the initial dustiness is determined by the fraction of fine respirable particles present in the powder but the long-term dust generation patterns and levels are influenced by the material attrition behaviour. Dust is generated by the fragmentation and/or abrasion of primary particles, which may lead to the production and emission of fine daughter particles as dust. The samples with large irregularly shaped particles are likely to show high dustiness by shedding angular corners through inter-particle and particle-wall collisions, thus becoming more spherical in shape. On the contrary, the smaller particles are more resistant to abrasion and generate relatively less dust. While the vortex shaker dustiness tests show similar trends as an attrition tester, our study using alumina and acetylene coke indicate that the results are not interchangeable. Results from this thesis help understand the influence of powder and process parameters which may be manipulated to reduce dust generation. Furthermore, experimental results can be used to develop and validate numerical models to predict dustiness.


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