Le Laboratoire Georges Friedel est spécialisé depuis de nombreuses années dans l’étude des poudres et des milieux granulaires, en particulier dans l’étude de leur comportement lorsqu’ils sont sollicités d’un point de vue thermique, chimique ou mécanique.
Ces sollicitations, qu’elles soient volontaires ou subies, posent un certain nombre de questions scientifiques et technologiques, dans de nombreux secteurs d’activité tels que l’industrie pharmaceutique, cosmétique et chimique, le génie civil, la métallurgie, la mécanique des sols et des roches, le secteur agroalimentaire et même l’industrie nucléaire et l’industrie aéronautique.
Afin de répondre à ces questions, le LGF a développé des compétences pour modéliser les étapes élémentaires lorsqu’une poudre réagit avec un gaz (équipe SURF), et pour décrire les écoulements granulaires propres aux géométries de différentes opérations unitaires (équipe PMDM).
Dans le but de comprendre et de prédire les synergies existantes entre ces différentes sollicitations, nous ambitionnons de développer d’une part une approche expérimentale à l’aide de pilotes instrumentés et d’outils de caractérisation des milieux granulaires, et d’autre part une approche de modélisation globale couplant les différents phénomènes mis en jeu.
Parmi les procédés de transformations de poudres en contact avec un gaz, le four tournant présente l’avantage de contrôler à la fois la température et la pression partielle des gaz dans l’environnement de la poudre, tout en permettant le mélange continu et régulier de la poudre. Cette technologie permet d’obtenir une température uniforme et d’optimiser le contact gaz-solide, produisant ainsi un produit homogène, en réduisant les durées de traitement et en augmentant le taux de production. Ce type de four est utilisé à l’échelle industrielle, par exemple pour la production de combustible nucléaire, la conversion du clinker ou la décomposition thermique de la sidérite.
Le traitement de poudres en four tournant met en œuvre des phénomènes chimiques, thermiques et mécaniques qui se caractérisent par une grande diversité d’échelles spatiales et temporelles dont la simulation est rendue délicate par la nécessité de concilier consistance du modèle et temps de calcul.
D’un point de vue expérimental, et en lien avec la plateforme « technologie des poudres », une maquette froide a été conçue, réalisée et instrumentée par les ateliers support de l’UMR (atelier mécanique et atelier métrologie) et la halle technologique Procédés (conception et construction de prototypes). Cette maquette permet d’observer le mouvement de la charge granulaire dans un tambour tournant à température ambiante. Un système d’introduction de gaz permet également d’étudier l’influence de la présence de vapeur d’eau.
Un four tournant à atmosphère contrôlée pouvant fonctionner jusqu’à 1450°C est en cours d’acquisition. Ce four sera instrumenté de manière à suivre au mieux les évolutions des grandeurs en lien avec la réaction chimique, les transferts thermiques et le mouvement du milieu granulaire.
Parallèlement à ces développements expérimentaux, nous travaillons à la modélisation et à la simulation du comportement du milieu granulaire dans le four tournant. Des modèles analytiques et des codes numériques sont ainsi en cours de développement à différentes échelles spatiales et temporelles, avec l’objectif final de réaliser un code numérique permettant de modéliser la transformation physico-chimique d’un solide divisé en écoulement dans un fluide réactif au sein du four tournant.
Simulation de four tournant