Prises de mesures par la sonde FBRM

PRISES DE MESURES PAR LA SONDE FBRM

PUITS D’ALIMENTATION

Le puits d’alimentation conventionnel est illustré à la Figure 4.1. La géométrie est très simple : elle consiste d’un cylindre ouvert aux deux extrémités, d’une entrée tangentielle et d’un pointeau. L’extrémité supérieure est ouverte à l’air tandis que le reste du puits est immergé dans le liquide. Dans les décanteurs industriels, le puits peut facilement atteindre plusieurs mètres de diamètre.
Le mélange solide-liquide est acheminé dans le puits par l’entrée tangentielle,créant ainsi un vortex. Ce vortex crée une zone de basse pression (dépression) au centre du disque situé à l’extrémité inférieure du puits (disque horizontale à la sortie). De la liqueur claire (sans solide) est alors aspiré à cet endroit. La liqueur claire remonte jusqu’en haut du puits d’alimentation, pour ensuite redescendre le long des parois. Un mouvement de rotation lui est imparti par le vortex. Au cours de sa descente, elle rentre en contact avec le mélange solide-liquide, provoquant ainsi un effet de dilution. Le mélange dilué descend le long des parois en suivant une trajectoire spiraiée et sort par l’extérieur dudisque. En résumé, il y a un faible vortex ascendant situé dans la partie centrale du puits et un important vortex descendant située sur sa périphérie. Le floculant, quant à lui, est généralement injecté par un pointeau positionné relativement près de l’alimentation.
Le vortex, et la dilution qu’il provoque, sont les deux phénomènes les plus importants dans le puits d’alimentation. En théorie, le vortex joue trois rôles : il favorise la dispersion du floculant; il procure un taux d’agitation optimale pour la floculation; et il permet de dissiper progressivement l’énergie cinétique de l’alimentation. De son côté, la dilution naturelle permet de réduire considérablement la concentration de la boue. La plupart des auteurs attribue un rôle très important à la dilution dans l’efficacité de la floculation(23)(37)(53), et plusieurs designs visent à accroître son importance.
Le puits d’alimentation offre comme avantage une géométrie simple sans aucune partie mobile. Il est peu dispendieux et il fonctionne adéquatement dans la plupart des cas. Il a cependant le désavantage qui découle directement de sa simplicité : ses paramètres sont hors du contrôle de l’opérateur. La dilution et le niveau d’agitation sont des conséquences indirectes du débit de l’alimentation (et, à un moindre degré, de la concentration de l’alimentation), et il est impossible de les ajuster. Concrètement, cela signifie que lorsque les conditions d’opérations (débit et concentration de l’alimentation) varient, les paramètres à l’intérieur du puits (turbulence, agitation, vitesse, temps de résidence, etc.) varient eux aussi, et la floculation s’en trouve affectée. Le puits
d’alimentation n’est donc pas un système particulièrement robuste aux fluctuations.

 Variantes

II existe plusieurs variantes au design conventionnel. La plupart sont simplement des variations mineures des dimensions (la position de l’alimentation, le ratio hauteur/largeur, la position du pointeau, la taille de la conduite d’alimentation, etc.), mais quelques-unes apportent des changements majeurs à la géométrie.Une première variante consiste à injecter le floculant dans la conduite menant au puits d’alimentation. L’injection de floculant dans le puits peut être conservée (créant ainsi un système à deux injections) ou enlevée. De cette façon, la majeure partie de la dispersion s’effectue dans la conduite, ce qui améliore son efficacité. De plus, le puits est maintenant réservé à la floculation. Cette approche permet d’améliorer les performances dans certain cas, mais il y a un risque : si l’injection se fait trop en amont, la floculation peut être initiée dans la conduite et les flocs pourraient alors être brisés avant d’entrée dans le puits ou en entrant dans le puits(37). Un autre désavantage est que la dispersion du floculant se fait sans le support de la dilution. Cette géométrie est discutée plus en détails au Chapitre 9.
Une deuxième variante consiste à utiliser un puits d’alimentation avec deux entrées tangentielles situé à 180° degrés l’une de l’autre (voir Figure 4.2). Les entrées peuvent être au même niveau ou décalées verticalement. Les deux jets vont entrer en contact après avoir parcouru le quart de la périphérie du puits. Le floculant est généralement injecté aux environs du point de contact. La liqueur claire provoquant la dilution est aspirée dans la moitié du puits opposée au point de contact (moitié gauche sur la figure) et la sortie s’effectue dans la moitié du puits sous le point de contact (moitié droite sur la figure).Une autre variante utilise une bordure annulaire situé à une certaine distance sous l’arrivé de l’alimentation (Figure 4.3). Cette bordure force le vortex descendant à se diriger vers le centre du puits, ce qui améliore la dilution et l’agitation. Une dernière variante est basée sur l’observation suivante : la présence de solide fait en sorte que la densité est plus élevée à l’intérieur du puits qu’à l’extérieur. Par conséquent, la surface du liquide est souvent plus basse à l’intérieur

REVUE DE LA LITTERATURE

La confidentialité industrielle limite l’information disponible sur les études réalisées sur le puits d’alimentation. De plus, les rares travaux disponibles ont tendance à être vagues sur les aspects les plus importants.En fait, à notre connaissance, un seul projet de recherche concernant le puits
d’alimentation dans le contexte du procédé Bayer*24 »25′ est disponible dans la littérature. Ce projet a été effectué à l’aluminerie de Worsley, en Australie, par le CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation). Les travaux ont débuté en 1992 dans le but d’augmenter la production de l’aluminerie. Selon l’opinion générale, la meilleure façon d’atteindre cet objectif consistait à améliorer les performances du puits d’alimentation.Dans la première partie du projet, un modèle CFD du puits d’alimentation fut développé et validé à l’aide de traceurs chimiques. Le modèle prenait en compte deux phases, utilisait une approche Eulérienne-Eulérienne, considérait une seule taille de flocs, imposait une vitesse de sédimentation et utilisait le modèle de turbulence k-s. Le puits d’alimentation ainsi que la partie du décanteur située au-dessus du lit de boue étaient
modélisée. Mais la vraie particularité du modèle provient de sa prise en compte du processus de floculation. Seule l’étape d’adsorption était considérée. Cette approche est fort simple, mais elle permet malgré tout d’obtenir la quantité de floculant adsorbée ainsi que lenpourcentage de recouvrement des particules solides en fonction de la position dans le puits d’alimentation – deux informations très importantes. Lorsque le modèle fut appliqué au puits d’alimentation, la principale conclusion a été que le floculant se disperse mal. En effet, la grande densité de l’alimentation fait en sorte qu’elle descend rapidement à travers le puits d’alimentation. Le temps de résidence est donc relativement court et, par conséquent, le recouvrement des particules n’est pas homogène.
Différents points d’injection de floculant furent testés, sans aucune amélioration notable. Par la suite, des modifications importantes furent apportées à la géométrie du puits. Aucun détail n’est fourni, mais il est indique que ces modifications ont permis d’améliorer grandement les performances du puits.D’autres projets similaires furent effectués à Worsley. Les améliorations sur le puits d’alimentation et sur d’autres aspects du système ont permis d’augmenter la capacité du
circuit de 210% entre 1992 et 2001. Il existe d’autres travaux sur le puits, mais ils n’ont pas été effectués à l’aide de boues rouges et ils sont donc moins intéressants. En voici un bref survol en ordre de pertinence.

Table des matières

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION
1.1 Contexte et problématique
1.2 Objectif
1.3 Retombées potentielles pour l’industrie
1.4 Méthodologie
1.4.1 Volet préliminaire
1.4.2 Volet théorique
1.4.3 Volet expérimental
1.5 Plan du mémoire
CHAPITRE 2 : THÉORIE ET INFORMATIONS PERTINENTES
2.1 Matières premières
2.1.1 Liqueur Bayer
2.1.2 Boue sèche
2.1.3 Floculant
2.1.4 Ratio solide/liquide de la boue rouge
2.2 Procédé Bayer
2.2.1 Rôle du procédé Bayer dans la production d’aluminium
2.2.2 Bauxite
2.2.3 Vue d’ensemble du procédé Bayer
2.2.3.1 Circuit principal
2.2.3.2 Circuit de séparation solide-liquide
2.2.4 Analyse du circuit des laveurs et de l’épaississeur
2.3 Séparation solide-liquide
2.3.1 Décantation
2.3.2 Floculation
2.3.2.1 Aspect électrique
2.3.2.2 Agglomération des particules
2.3.2.3 Modélisation de la floculation
2.3.2.4 Dimension fractale
2.4 Présentation des distributions granulométriques
2.5 CFD
2.5.1 Théorie
2.5.1.1 Équations de base de l’écoulement
2.5.1.2 Écoulement multiphase
2.5.1.3 Turbulence
2.5.2 Étapes de la CFD
2.5.3 ANSYSCFX
CHAPITRE 3 : PRISES DE MESURES PAR LA SONDE FBRM
3.1 Description de la sonde FBRM
3.2 Étude et calibration de la sonde FBRM
3.2.1 Équipement et échantillons
3.2.2 Ajustements de la sonde
3.2.2.1 Ajustement de la position du point focal
3.2.2.2 Ajustement de la vitesse, du mode et de la pondération
3.2.3 Impact du système sur la sonde FBRM
3.3 Paramètres utilisés pour quantifier la qualité de la floculation
3.3.2 Choix des variables
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 : PUITS D’ALIMENTATION
4.1 Description
4.1.1 Variantes
4.2 Revue de la littérature
4.3 Modélisation du puits d’alimentation
4.3.1 Géométrie
4.3.2 Paramètres du modèle
4.3.3 Modèle de floculation
4.3.4 Résultats
4.3.4.1 Écoulement
4.3.4.2 Dilution
4.3.4.3 Floculation
4.3.5 Conclusion
CHAPITRE 5 : DÉVELOPPEMENT DU NOUVEAU FLOCULATEUR
5.1 Revue des brevets
5.1.1 Brevet 4 372 851 – Multi stage flocculation treatment system
5.1.2 Brevet 4 394 270 – Apparatus for the chemical conditioning of sludges
5.1.3 Brevet 4 954 259 – Process for the treatment and purification of water by the flocculation of suspended particles in a fluidized bed
5.1.4 Brevet 5 120 436 – Liquid clarification by effecting cohesion of solids
5.1.5 Brevet 7 156 990 – Coagulation-flocculation apparatus
5.1.6 Synthèse
5.2 Développement du concept
5.2.1 Concept de base
5.2.2 Géométrie complète
5.2.3 Risques potentiels
5.3 Développement du premier protoype
5.3.1 Zone d’injection
5.3.2 Zones de détente et de fontaine
5.3.3 Zone de descente
5.3.4 Synthèse
CHAPITRE 6 : TESTS AVEC LE PREMIER PROTOYPE
6.1 Méthodologie
6.1.1 Montage
6.1.1.1 Décanteur
6.1.1.2 Autres éléments
6.1.2 Points de mesure
6.1.3 Protocole expérimental
6.1.4 Tests réalisés
6.2 Résultats
6.2.1 Résultats qualitatifs
6.2.2 Stabilité aux points de mesure
6.2.3 Tests de reproductibilité
6.2.4 Position de la buse
6.2.5 Vitesse de l’écoulement
6.2.6 Position de l’injection defloculant
6.2.7 Dosage de floculant
6.2.8 Concentration de l’alimentation
6.2.9 Synthèse
CHAPITRE 7 : TESTS SUR LE DEUXIÈME PROTOTYPE
7.1 Développement du deuxième prototype
7.2 Méthodologie
7.2.1 Points de mesure
7.2.2 Tests réalisés
7.3 Résultats
7.3.1 Résultats qualitatifs
7.3.2 Stabilité aux points de mesure
7.3.3 Tests de reproductibilité
7.3.4 Vitesse de l’écoulement
7.3.5 Position de l’injection de floculant
7.3.6 Dosage de floculant
7.3.7 Concentration de l’alimentation
7.3.8 Synthèse
CHAPITRE 8 : TESTS DE VALIDATION EN USINE
8.1 Développement du troisième prototype
8.1.1 Zone d’injection
8.1.2 Zones de détente et de fontaine
8.1.3 Zone de descente
8.2 Méthodologie et résultats
CHAPITRE 9 : POSSIBILITÉS EN INDUSTRIE
9.1 Transition à l’échelle industrielle
9.2 Alternatives
CHAPITRE 10 : CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE A : MODÈLE FRACTALE DES FLOCS
ANNEXE B : MODÈLE DE TURBULENCE K-e

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