Il a été démontré au Chapitre 1 que l’étude des écoulements particulaires est complexe. Une panoplie d’approches expérimentales et/ou numériques peuvent être utilisées pour réaliser ce genre d’étude. Le choix de l’approche dépend des propriétés des particules, du système particulaire étudié ainsi que des objectifs de l’étude.
La pré-purification de l’air réalisée à l’aide d’un procédé cyclique d’adsorption par oscillations thermiques (TSA) est le cas idéal pour étudier l’écoulement particulaire pouvant survenir à l’intérieur de lits fixes. L’écoulement particulaire à l’intérieur d’un réacteur à flux radial (RFR) est étudié puisque, comme il a été mentionné à la Section 1.1.1, l’utilisation de ce type de réacteur est fortement favorisée. Les techniques de mesures expérimentales perturbatrices ou non-perturbatrices ne sont pas facilement applicables à l’étude de ce genre d’écoulement ou peuvent être très coûteuses à implanter. La nature du système (colonne d’adsorption) et des particules le composant (adsorbants quasi-sphériques) favorisent l’utilisation d’une méthode numérique. Dans ce cas-ci, il est attendu que les interactions entre les particules ainsi que leurs propriétés affecteront grandement la nature de l’écoulement simulé. Ainsi, la méthode des éléments discrets (DEM) est une méthode numérique de prédilection pour réaliser cette étude. Cependant, puisque les propriétés particulaires sont importantes, il est essentiel de ne pas tenter d’accélérer la DEM en modifiant ces dernières. Le modèle DEM développé doit être calibré et vérifié avec soin.
Dans le cas d’écoulements particulaires de lits rotatifs composés de particules non-sphériques, les méthodes de simulations numériques comme la DEM, tel que souligné dans la Section 1.3.2, ne sont pas parfaitement adaptés pour étudier la dynamique de particules non-sphériques étant donné leurs lacunes au niveau de la vérification et/ou de la validation des modèles. Il est donc préférable de développer une approche expérimentale. Pour ce faire, il est nécessaire d’identifier une technique d’investigation expérimentale appropriée ainsi que de choisir des particules non- sphériques adaptées à cette technique. Parmi l’ensemble des méthodes décrites à la Section 1.2, la
technique de suivi de particules radioactives (RPT) est une technique appropriée pour effectuer cette étude. Dans le cadre de cette thèse, des comprimés pharmaceutiques ont été retenus pour représenter les particules non-sphériques. Ce type de matériaux a essentiellement été choisi pour trois raisons. Premièrement, il est facile, dans une certaine mesure, d’en contrôler la composition. Conséquemment, un composé produisant un radio-isotope pouvant être utilisé avec la RPT peut être introduit dans le mélange servant à la fabrication des comprimés. Deuxièmement, la masse et la taille de chacun des comprimés peuvent être rigoureusement contrôlées lors de leur fabrication. Finalement, des poinçons et des matrices de formes et de tailles variées sont largement disponibles. Cependant, l’utilisation de comprimés pharmaceutiques comme traceurs pour la RPT implique que la source d’émission de rayons gamma n’est pas ponctuelle. De ce fait, une plus grande incertitude quant à la reconstruction de la position du traceur est attendue. Par conséquent, il est nécessaire de développer une méthode permettant de minimiser l’erreur commise par l’utilisation d’une source non-ponctuelle.
Ainsi, les objectifs spécifiques de cette thèse sont:
1. Évaluer à l’aide de la méthode des éléments discrets l’effet d’une contraction et d’une expansion thermique cyclique des murs d’un réacteur à flux radial utilisé pour la pré- purification de gaz sur un lit particulaire fixe;
2. Développer une stratégie d’optimisation permettant d’identifier un positionnement optimal des détecteurs à scintillation pour la technique de suivi de particules radioactives; 3. Caractériser la dynamique de particules non-sphériques à l’intérieur d’un cylindre rotatif.
L’atteinte de chacun de ces objectifs spécifiques est présentée dans les Chapitres 4, 5 et 6, correspondant en fait aux trois articles scientifiques issus de cette thèse.
Le Chapitre 4 traite donc de la modélisation DEM de la dynamique particulaire à l’intérieur d’un RFR utilisé pour la pré-purification de gaz. Les véritables propriétés particulaires sont intégrées au modèle DEM. Après avoir assuré une vérification détaillée du modèle, ce dernier est utilisé
pour mesurer la dispersion particulaire survenant à l’interface de deux types d’adsorbants couramment utilisés pour la pré-purification de l’air.
Le Chapitre 5 présente la stratégie d’optimisation permettant d’identifier un positionnement optimal des détecteurs de la RPT. La stratégie développée est validée et ensuite appliquée dans des cas de figure intéressants pour le génie chimique. Les forces ainsi que les limites de la stratégie sont présentées à travers ces applications. Cette étape d’optimisation de la technique de RPT est essentielle pour pouvoir étudier la dynamique de grosses particules non-sphériques à l’intérieur de cylindres rotatifs.
Le Chapitre 6 discute de la dynamique de particules non-sphériques à l’intérieur d’un cylindre rotatif. Plus spécifiquement, ce chapitre traite de la modélisation du temps de résidence des particules, du mélange et de la ségrégation de particules de formes et/ou de tailles différentes ainsi que de la dispersion axiale des particules. Tout au long de ce chapitre, le comportement des particules non-sphériques testées est comparé à celui de particules sphériques.
La thèse se termine par une discussion générale (Chapitre 7) présentant les principales avancées réalisées dans le cadre de cette thèse et par la présentation de recommandations pour des travaux futurs (dernier chapitre).