Présentation de Claire Meyer
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Claire MAYER Ingénieur de recheche, INRA Responsable de la plateforme de transformation des végétaux 17 octobre 2012 Parcours professionnel Ingénieur généraliste Mission humanitaire Procédés Alep, Syrie 2005 Scale-up 2012 Thèse en GP Ingénieur procédés Génie particulaire Norais technologies Etude dynamique et effet du changement d’échelle pour plusieurs systèmes particulaires en mélangeur Turbula® Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 2 / 27 Le mélange des poudres : une opération unitaire agroalimentaire pharmacie cosmétique matériaux composites Mélange des poudres - Critères et protocoles pour quantifier l’homogénéité des mélanges - Choix du mélangeur - Détermination des paramètres opératoires - Loi d’extrapolation Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 3 / 27 Plan 3 1 La dynamique de mélange • Mélanges modèles (lactose/couscous) • Mélanges composites (époxy/graphite) 2 Extrapolation • 3 systèmes particulaires => Mélange composite • 3 tailles de mélangeurs 3 17 octobre 2012 Perspectives Claire Mayer 4 / 27 Les mécanismes de mélange et de ségrégation Les mécanismes1 de mélange : Diffusion Cisaillement Convection - Convection - Diffusion - Cisaillement [1] P.M.C. Lacey, 1954 Les mécanismes2 de ségrégation : Ségrégation par trajectoire Ségrégation Ségrégation par élutriation Ségrégationpar parpercolation roulement - Trajectoire - Percolation - Elutriation - Roulement [2] J. C. Williams, 1976 Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 5 / 27 La dynamique de mélange pour les mélangeurs de poudres Mélangeur à Tambour rotatif N g Taux de remplissage f= Vpoudre Vcuve Nombre de Froude Fr = N² ∗ R g J. Mellmann, 2001 Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 6 / 27 Le dispositif de mélange • Théorie de Schatz : Combinaison d’une translation, d’une rotation et d’une inversion Mouvement chaotique x 8,5 Labo : 2L 17 octobre 2012 efficacité du Turbula® x 3,2 Pilote :17 L Claire Mayer Industrielle : 55 L 7 / 27 Régimes de fonctionnement pour le mélangeur Turbula® Fr = Forces d′ inertie Forces centrifuges = Forces de gravité Forces de gravité = m.a m.g = Collisionnel a g a : Accélération au point A T 2F : Labo T 10B : Pilote T 50A : Industrielle N tr.min-1 Fr N tr.min-1 Fr N tr.min-1 Fr 22 0,2 15 0,2 16 0,3 32 0,5 23 0,5 20 0,5 46 1 32 0,9 25 0,8 44 1,7 32 1,4 40 2,2 67 2,2 96 4,5 Introduction 17 octobre 2012 Avalanche Cataracte Collisionnel Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 8 / 27 Etude de la dynamique de mélange Etat ségrégé Mélange stable Temps σ 𝐶𝑉 = 𝑥𝑚 Evolution de l’état du mélange tm Mécanismes de mélange Mécanismes de ségrégation Temps Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 9 / 27 Composition des mélanges Modèles 85% dm = 65 µm span = 1,9 Ic = 38 % 85% 15% Lactose - Composite Couscous - Graphite dm = 1014 µm span = 0,7 Ic = 7,3% 17 octobre 2012 - dm = 75 µm span = 2,6 Ic = 42 % Matrice - dm = 175 µm span = 3,4 Ic = 25% Mélange cohésif, pas de tendance à la ségrégation écoulement fluide, Tendance à la ségrégation Introduction 15% Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 10 / 27 Cinétique de mélange pour les mélanges modèles 10,00% 8,00% CV (%) 6,00% 4,00% 2,00% Mélange par convection 0,00% 0 5 10 15 20 25 30 35 Nombre de tours Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 11 / 27 Cinétique de mélange pour les mélanges modèles Fr ≤ 0,5 0,5 <Fr ≤ 2,5 CV 10% Fr = 4,5 CV 10% 8% 8% 8% 6% 6% 6% 4% 4% 4% 2% 2% 2% 0% 0% 0% 0 5 10 Nombre de tours 15 0 Ségrégation par roulement Introduction 17 octobre 2012 5 10 Nombre de tours 15 Ségrégation par trajectoire Dynamique CV CV 10% 0 15 Ségrégation par percolation Extrapolation Claire Mayer 5 10 Nombre de tours Perspectives 12 / 27 Cinétique de mélange pour les mélanges modèles 22 tr/min 32 tr/min 46 tr/min 67 tr/min 96 tr/min diffusion 3,50% Ségrégation par percolation CV (%) 3,00% Ségrégation par trajectoire 2,50% Ségrégation par roulement 2,00% 10 100 1000 Nombre de tours Résultats en accord avec ceux de M. Marigo & al, 2011 Introduction 17 octobre 2012 Turbula® Dynamique Claire Mayer Scale-up Perspective 13 / 27 Cinétique de mélange pour les mélanges composites 20,0% 22 tr/min 17,5% 32 tr/min Pas de mélange 96 tr/min 15,0% CV (%) 12,5% Erreurs d’échantillonnage 10,0% 7,5% 5,0% 2,5% 0,0% 0 De 0 à 15 tours Introduction 17 octobre 2012 Turbula® 5 10 15 20 25 Nombre de tours 30 35 Mélange par convection Dynamique Claire Mayer Scale-up Perspective 14 / 27 Cinétique de mélange pour les mélanges composites 3% 32 tr/min 2% CV (%) CV (%) 3% 1% 0% 96 tr/min 2% 1% 0% 10 100 1000 10000 10 Nombre de tours 100 1000 10000 Nombre de tours Régime avalanche ou cataracte Régime collisionnel Résultats en accords avec ceux de M. Losada Martin & al, 2004 Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 15 / 27 Conclusion Collisionnel : Fr =4,5 Produits cohésifs Cataracte : Produits 0,5≤ Fr <fluides, 2,5 ayant tendance à la ségrégation Avalanche : 0,2≤ Fr < 0,5 Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 16 / 27 Plan 3 1 La dynamique de mélange • Mélanges modèles (lactose/couscous) • Mélanges composites (époxy/graphite) 2 Extrapolation • 3 systèmes particulaires => Mélange composite • 3 tailles de mélangeurs 3 17 octobre 2012 Perspectives Claire Mayer 17 / 27 Changement d’échelle en génie des procédés Analyse dimensionnelle et principe des similitudes1 [1] N. Midoux, 1985] Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 18 / 27 Changement d’échelle en génie des procédés Forme des particules? Densité ? D = Diamètre de la cuve N = Vitesse de rotation P = Puissance consommée Taille des particules Rugosité ? Analyse dimensionnelle1 difficile Pour deux procédés similaires géométriquement : - Similitudes cinématiques : vitesses des particules identiques2 - Similitudes dynamiques : rapport des forces constant [1] Y.L. Ding, 2001 Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Fr [2] A. Alexander, 2002 Perspectives 19 / 27 Similitudes géométriques Rayon de l’étrier = Entraxe* T 2F T 10B T 10B / T 2F T 50A T 50A/ T 2F 2L 17 L 8.5 55 L 27.5 Entraxe 125 mm 225 mm 1.80 360 mm 2.88 Diamètre de la cuve 130 mm 252 mm 1.93 370 mm 2.84 Longueur de la cuve 200 mm 360 mm 1.80 565 mm 2.83 Volume de la cuve Facteur d’échelle constant Introduction 17 octobre 2012 Dynamique * K. Wolhart, 1981 Extrapolation Claire Mayer Perspectives 20 / 27 Définition de points de fonctionnement cinématiques et dynamiques 2,50 Vitesse max du point A (m/s) PFC5 PFC4 PFC3 PFC2 PFC1 vA= coef * N T 50A 2,00 1,50 T 10B T 2F 1,00 0,50 0,00 0 8 10 12 20 2230 40 50 60 70 80 90 100 Vitesse de l'axe moteur : N (tr/min) Nombre de Froude au point A 5,00 PFD4 Longueur ∗ N² Fr = g PFD3 PFD2 PFD1 FrA= coef * N² 4,00 T 2F 3,00 T 50A 2,00 T 10B 1,00 0,00 0 2000 4000 6000 8000 10000 Vitesse² de l'axe moteur : N² (tr²/min²) Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 21 / 27 Effet du changement d’échelle pour les mélanges composites Cible : qualité de mélange identique Critère dynamique ? Critère cinématique ? Égalité des CV Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 22 / 27 Effet du changement d’échelle pour les mélanges composites À 12 tours 6,00% cinématique dynamique 5,00% CV (%) 4,00% 3,00% 2,00% 1,00% 0,00% T 2F T 10B T 50A Introduction 17 octobre 2012 PFC1 1,28% 1,76% Dynamique PFC2 1,53% 2,47% PFD1 1,52% 1,76% Extrapolation Claire Mayer PFD2 1,44% 1,53% 1,08% Perspectives 23 / 27 Effet du changement d’échelle pour les mélanges composites Surface libre T2F T 50A Définition d’un autre nombre adimensionnel : Taille des particules Longueur caractéristique Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Distance de chute des particules ? Volume de poudre ? Surface libre Extrapolation Claire Mayer Perspectives 24 / 27 Plan 3 1 La dynamique de mélange 2 Extrapolation 3 17 octobre 2012 Perspectives Claire Mayer 25 / 27 Pistes de recherche Dynamique des procédés impliquant des solides divisés • Compréhension physico-chimique du procédés - Identifier les forces prépondérantes - Travailler à ≠ échelles (particules, ensemble de particules, procédés) • Analyse dimensionnelle et diagramme de fonctionnement des procédés • Optimisation des procédés (rendement et d’énergie) Changement d’échelle • Application de la méthodologie à d’autres procédés • Similitudes géométriques ne sont pas toujours applicable • Coupler expérimentation et simulation Introduction 17 octobre 2012 Dynamique Extrapolation Claire Mayer Perspectives 26 / 27 Merci pour votre attention 17 octobre 2012 Claire Mayer 27 / 27
