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Modélisation des interactions et du transport de particules dans une phase liquide : des comportements locaux aux effets à l’échelle des procédés
No full textScientific and industrial challenges regarding non-metallic inclusions in processes involving liquid metal are core thematics of the research team “Process Metallurgy”, that I joined in 2013. To address the needs of such research activities, I have developped a software framework to simulate fundamental mechanisms ruling the transport and the interactions between particles in a liquid phase and to model their impacts at process scale. This piece of software couples a Lattice Boltzmann Method (LBM) to a Discrete Element Method (DEM) using an Immersed Boundary Method (IBM).This document first presents a description of the implementations of the three methods (LBM, DEM and IBM), followed by three PhD theses that were conducted at Institut Jean Lamour (Université de Lorraine) and at the University of Alberta. These projects all started at the same time, in spring 2016 and ended between the years 2019 and 2021. Matthieu Gisselbrecht (2019) and Manoj Joishi (2019) focused on topics related to the control of inclusion cleanliness in metallurgical processes, more specifically investigating the aggregation kinetics of inclusions and their capture by deposition at the walls of ladle reactors. Akash Saxena (2021) quantified restructuring and breakage of aggregates transported in a flow as well as the dependence of morphological evolution of aggregates on the cohesive and hydrodynamic interactions between the primary particles of which they are made of.Targeted applications fall in the scope of metallurgy, but the underlying physics and their mathematical modelling are transversal to multiple domains, such as colloids and aerosols.Les enjeux scientifiques et industriels liés aux inclusions non-métalliques dans les procédés impliquant du métal liquide sont au cœur des activités de recherche de l’équipe « Procédés d’Élaboration » que j’ai rejointe en 2013. Dans le cadre de ces activités de recherche, j’ai développé un logiciel pour simuler des mécanismes fondamentaux régissant le transport et les interactions entre particules dans une phase liquide afin de modéliser leurs effets à l’échelle de procédés. Ce logiciel couple une méthode de Boltzmann sur réseau (Lattice Boltzmann Method, LBM) à une méthode des éléments discrets (Discrete Element Method, DEM) via une méthode de frontière immergée (Immersed Boundary Method, IBM).Après une description des implémentations des trois méthodes LBM, DEM et IBM, ce document présente trois travaux de recherche menés dans le cadre de thèses à l’Institut Jean Lamour (Université de Lorraine) et l’Université d’Alberta. Ces thèses ont commencé en même temps, au printemps 2016 et se sont terminées entre 2019 et 2021. Les travaux de Matthieu Gisselbrecht (2019) et Manoj Joishi (2019) ont porté sur deux sujets liés au contrôle de la propreté inclusionnaire, à savoir l’agrégation des inclusions et leur capture par dépôt aux parois du réacteur lors de l’affinage en poche. Akash Saxena (2021) a quantifié des cinétiques de restructuration et la fragmentation d’agrégats ainsi que l’effet des interactions cohésives et hydrodynamiques entre particules primaires sur l’évolution morphologique des agrégats qu’elles composent.Les principales applications visées concernent la métallurgie, mais la physique sous-jacente et les aspects mathématiques sont transverses à de multiples domaines, tels que les colloïdes et les aérosols
Analyse physique et modélisation de la séparation centrifuge de particules ultrafines en film fluant : application au séparateur industriel Falcon
Get PDFLes concentrateurs Falcon permettent de séparer des particules en fonction de leur densité. Leur capacité à traiter des débits de suspension importants rend leur utilisation courante dans les procédés miniers. Dans les gammes de tailles ultrafines (entre 1 et 100 μm), leur coupure devient à la fois granulométrique et densimétrique. Ce travail a porté sur la compréhension de leur physique et de ses limites. Une analyse de leurs mécanismes de séparation a abouti à une loi d’échelle analytique, validée expérimentalement. Des investigations plus complètes appliquées aux suspensions ultrafines ont été réalisées numériquement. Finalement un critère physique liant la gamme de taille à séparer aux densités des différentes fractions a été explicité et appliqué à la valorisation de sédiments fins. ABSTRACT : Enhanced gravity separators are widely used in minerals beneficiation, as their superior gravity field enables them to separate particles within narrow classes of density and size. This study aims to shed light on the Falcon concentrator’s ability to separate particles with size and density ranges lower than usual, 1 to 100 micrometers and 1.2 to 3.0 s.g. respectively. Differential particle settling being identified as the prevailing separation mechanism under such conditions, this study couples a theoretical and numerical approach with targeted experiments to build a predictive Falcon separation model that embeds phenomenological fluid and particle flow analysis. Based on this model, physical limitations were identified and quantified through explicit relations between operating parameters, and particle size and density ranges. Falcon’s efficiency to beneficiate dredged sediments was characterized in this way
Physical analysis and modelling of centrifuge separation of ultrafine particles in a flowing film : application to the Falcon concentrator
No full textLes concentrateurs Falcon permettent de séparer des particules en fonction de leur densité. Leur capacité à traiter des débits de suspension importants rend leur utilisation courante dans les procédés miniers. Dans les gammes de tailles ultrafines (entre 1 et 100 μm), leur coupure devient à la fois granulométrique et densimétrique. Ce travail a porté sur la compréhension de leur physique et de ses limites. Une analyse de leurs mécanismes de séparation a abouti à une loi d’échelle analytique, validée expérimentalement. Des investigations plus complètes appliquées aux suspensions ultrafines ont été réalisées numériquement. Finalement un critère physique liant la gamme de taille à séparer aux densités des différentes fractions a été explicité et appliqué à la valorisation de sédiments fins.Enhanced gravity separators are widely used in minerals beneficiation, as their superior gravity field enables them to separate particles within narrow classes of density and size. This study aims to shed light on the Falcon concentrator’s ability to separate particles with size and density ranges lower than usual, 1 to 100 micrometers and 1.2 to 3.0 s.g. respectively. Differential particle settling being identified as the prevailing separation mechanism under such conditions, this study couples a theoretical and numerical approach with targeted experiments to build a predictive Falcon separation model that embeds phenomenological fluid and particle flow analysis. Based on this model, physical limitations were identified and quantified through explicit relations between operating parameters, and particle size and density ranges. Falcon’s efficiency to beneficiate dredged sediments was characterized in this way
Simulation of hydrodynamic interactions between inclusions in liquid metal : determination of aggregation kernels in representative conditions of flotation process
No full textLa propreté inclusionnaire reste un enjeu majeur en élaboration des métaux par voie liquide. La flottation, principal procédé retenu en métallurgie secondaire pour éliminer les particules d’inclusions, consiste à injecter des bulles de gaz au sein du réacteur. Lors de leur ascension, les bulles vont capter les plus grosses inclusions et favoriser la collision et l’agrégation des particules. Dans le but de quantifier les phénomènes influents à l’échelle des inclusions sur la dynamique d’agrégation entre deux inclusions à proximité des bulles, un modèle numérique 3D a été développé. L’écoulement local est modélisé par un cisaillement plan permanent et résolu par une méthode de Boltzmann sur réseau. Le couplage entre les particules et le fluide a été assuré par une méthode de frontière immergée permettant de calculer la perturbation hydrodynamique engendrée par la présence des particules et de mettre à jour les interactions entre particules pour leur suivi lagrangien. Les simulations numériques réalisées ont mis en évidence que les effets hydrodynamiques ont une influence non négligeable sur le comportement des inclusions. Des sections efficaces de collision ont pu être extraites, à partir desquelles ont été calculés des noyaux d’agrégation, données macroscopiques rendant compte des effets à petite échelle. Une première application de ce travail a été menée avec le calcul des fréquences d’agrégation d’un train de bulle dans un réacteur canal à partir de résultats de simulations DNS. Les noyaux d’agrégation ont également été exploités en vue de déterminer, à partir de résultats RANS de l’hydrodynamique d’une poche d’acier, l’évolution de la concentration d’inclusions par un bilan de population global.Inclusion cleanliness remains a major challenge faced in process metallurgy in liquid phase. Flotation, the main process used in secondary metallurgy to remove inclusions, consists in injecting gas bubbles into the reactor. Rising gas bubbles entrap the biggest inclusions at their surface or in their wake. Besides, they promote collision and aggregation among particles. A 3D numerical model has been developed in order to quantify the roles of the prevailing phenomena on aggregation dynamics between inclusions in the vicinity of bubbles. At inclusion (mesoscopic) scale, the turbulent flow is locally modeled by a steady plane shear flow which is solved using a lattice-Boltzmann method. The coupling between both liquid and solid phases is ensured using an immersed boundary method. This method resolves the hydrodynamic perturbation induced by particles, and hence their interactions that are, in turn, used to update their Lagrangian tracking. The conducted numerical simulations bring out the influence of hydrodynamic effects on inclusion behavior. Collision cross sections have been determined from which ensuing aggregation kernels have been calculated. Such cross sections could provide macroscopic models to represent local particle dynamics. A first application of these results is presented to calculate aggregation frequencies in bubble swarms in a channel flow reactor that was simulated using DNS. Additionally, evolution of inclusion populations in molten steel has been determined from RANS simulation of a liquid steel ladle by means of a global population balance implementing the aggregation kernels determined in the present work
Analyse physique et modélisation de la séparation centrifuge de particules ultrafines en film fluant : application au séparateur industriel Falcon
No full textEnhanced gravity separators are widely used in minerals beneficiation, as their superior gravity field enables them to separate particles within narrow classes of density and size. This study aims to shed light on the Falcon concentrator’s ability to separate particles with size and density ranges lower than usual, 1 to 100 micrometers and 1.2 to 3.0 s.g. respectively. Differential particle settling being identified as the prevailing separation mechanism under such conditions, this study couples a theoretical and numerical approach with targeted experiments to build a predictive Falcon separation model that embeds phenomenological fluid and particle flow analysis. Based on this model, physical limitations were identified and quantified through explicit relations between operating parameters, and particle size and density ranges. Falcon’s efficiency to beneficiate dredged sediments was characterized in this way.Les concentrateurs Falcon permettent de séparer des particules en fonction de leur densité. Leur capacité à traiter des débits de suspension importants rend leur utilisation courante dans les procédés miniers. Dans les gammes de tailles ultrafines (entre 1 et 100 μm), leur coupure devient à la fois granulométrique et densimétrique. Ce travail a porté sur la compréhension de leur physique et de ses limites. Une analyse de leurs mécanismes de séparation a abouti à une loi d’échelle analytique, validée expérimentalement. Des investigations plus complètes appliquées aux suspensions ultrafines ont été réalisées numériquement. Finalement un critère physique liant la gamme de taille à séparer aux densités des différentes fractions a été explicité et appliqué à la valorisation de sédiments fins
Implementation of a model for Falcon separation units using continuous size-density distributions
No full textInternational audienc
Bilans de populations multivariées pour la modélisation du recyclage de cartes électroniques par biolixiviation
No full textInternational audienceRecycling electronic Printed circuit boards (PCBs) by bioleaching is a promising way to reduce pollution and recover metals such as copper, nickel and tin. This process uses acidophilic bacteria able toselectively extract metals at ambient temperature without the addition of aggressive chemicals. However,despite its environmental and economic potential, bioleaching is still not fully controlled at industrialscale due to the complex mechanisms involved, notably the multiphase evolution of particles duringbacterial dissolution. To improve our understanding of these phenomena and optimize the process, wepropose a numerical approach based on multivariate population balances (MPB). This approach models the statistical evolution of a population of PCB particles, described by their internal properties(respective volumes of glass, metal and plastic). Several numerical schemes (Upwind, QUICK, TVD)were implemented, compared and analyzed in terms of accuracy, numerical diffusion and stability. Theresults show that the TVD scheme offers an good accuracy. This study represents a crucial step towards26ème Congrès Français de Mécanique Metz, 25 au 29 Août 2025future coupling with CFD simulations, enabling more comprehensive and realistic bioleaching processmodeling
Beneficiation of concentrated ultrafine suspensions with a Falcon UF concentrator
Get PDFFalcon concentrators are enhanced gravity separators designed for concentrating fine particles. The Falcon UF model is unique in that it is dedicated to beneficiation of ultrafines, one key feature being that it does not make use of any fluidization water. We investigated the physics of particle transport inside Falcon concentrators, and concluded that separation efficiency is governed by differential settling velocity. We derived and published a predictive model of the partition function under dilute conditions. We intend to extend the initial model to concentrated ultrafine suspensions for application to industrial scenarios by adding hindered settling to account for solid concentration effects
Analyse physique et modélisation de la séparation centrifuge de particules ultrafines en film fluant (application au séparateur industriel Falcon)
No full textLes concentrateurs Falcon permettent de séparer des particules en fonction de leur densité. Leur capacité à traiter des débits de suspension importants rend leur utilisation courante dans les procédés miniers. Dans les gammes de tailles ultrafines (entre 1 et 100 m), leur coupure devient à la fois granulométrique et densimétrique. Ce travail a porté sur la compréhension de leur physique et de ses limites. Une analyse de leurs mécanismes de séparation a abouti à une loi d échelle analytique, validée expérimentalement. Des investigations plus complètes appliquées aux suspensions ultrafines ont été réalisées numériquement. Finalement un critère physique liant la gamme de taille à séparer aux densités des différentes fractions a été explicité et appliqué à la valorisation de sédiments fins.Enhanced gravity separators are widely used in minerals beneficiation, as their superior gravity field enables them to separate particles within narrow classes of density and size. This study aims to shed light on the Falcon concentrator s ability to separate particles with size and density ranges lower than usual, 1 to 100 micrometers and 1.2 to 3.0 s.g. respectively. Differential particle settling being identified as the prevailing separation mechanism under such conditions, this study couples a theoretical and numerical approach with targeted experiments to build a predictive Falcon separation model that embeds phenomenological fluid and particle flow analysis. Based on this model, physical limitations were identified and quantified through explicit relations between operating parameters, and particle size and density ranges. Falcon s efficiency to beneficiate dredged sediments was characterized in this way.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF
Fluid dynamics based modelling of the Falcon concentrator for ultrafine particle beneficiation
Get PDFEnhanced gravity separators are widely used in minerals beneficiation, as their superior gravity field enables them to separate particles within narrow classes of density and size. This study aims to shed light on the Falcon concentrator’s ability to separate particles within size and density ranges lower than usual, say 5 to 60 μm and 1.2 to 3.0 s.g. respectively. As differential particle settling is expected to be the prevailing separation mechanism under such conditions, this study presents the workings of a predictive Falcon separation model that embeds phenomenological fluid and particle flow simulation inside the Falcon’s flowing film. Adding to the novelty of modelling the Falcon concentrator
using a fluid mechanics approach, one point of practical significance within this work is the derivation of the Falcon’s partition function from fluid flow simulation results
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