Préparation de poudres par broyage cryogénique. Analyse physique, modélisation comportementale et simulations des écoulements de suspension. Études numérique et expérimentale.

L’étape de broyage est primordiale dans de nombreux procédés industriels tels que la fabrication du combustible nucléaire, des comprimés pharmaceutiques… Optimiser ce processus demande de considérer les interactions particule-particule, la rupture, l’agrégation et dans le cas du broyage en voie liquide l’hydrodynamique. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique permettant de guider la conception d’un procédé de broyage en voie liquide. Le système de broyage étudié est constitué d’une cuve dans laquelle le fluide porteur (l’azote liquide), la poudre à broyer et les corps broyants sont agités à l’aide d’une hélice marine. Dans un premier temps des études expérimentales ont été menées afin de caractériser la distribution en taille de la poudre. L’influence de la vitesse de rotation, du chargement en billes, de leur masse volumique ainsi que du chargement en poudre est analysée. La seconde partie de cette thèse se concentre sur l’élaboration d’un modèle numérique. La démarche considérée couple la mécanique des fluides numériques (CFD) et le modèle de bilan de population (PBM). L’avantage de cette approche est de prendre en compte le caractère hétérogène du broyage. L’hydrodynamique des trois phases est traitée par l’approche multifluide Euler implémentée dans le logiciel neptune_cfd. Une étude approfondie de l’hydrodynamique dans le cas des broyages correspondants aux conditions expérimentales permet de conclure quant à l’effet des paramètres opératoires sur l’hydrodynamique. Le modèle de bilan de population permettant le suivi de l’évolution temporelle de la distribution en taille des particules est résolu par la méthode des classes. La méthode du pivot est appliquée à la fonction de distribution de fragmentation afin d’assurer la conservation de la masse. Un modèle de noyau de rupture, fondé sur une approche de modélisation physique, est proposé. Ce dernier est défini à partir de la fréquence de collision des billes, supposée être l’unique mécanisme responsable du broyage, corrigé par l’efficacités de capture ainsi que l’efficacité de rupture. La prédiction de cette grandeur, dont la distribution spatiale est fortement hétérogène, a rendu possible la comparaison des efficacités de broyage entre chacun des cas. La résolution du PBE, sous l’hypothèse d’un broyage parfaitement homogène et donc non couplé à la CFD, a permis de s’assurer de la bonne définition du noyau de rupture. Il en résulte que le modèle proposé prédit qualitativement l’effet des paramètres opératoires malgré l’hypothèse d’homogénéité. Afin de prendre en compte les hétérogénéités locales, l’approche PBM a été couplée avec la CFD. Les simulations numériques ont mis en avant l’erreur commise lorsque l’hypothèse d’un broyage homogène est utilisée. Considérer les hétérogénéités locales du broyage permet de prédire de façon plus réaliste l’effet des paramètres opératoires. Malgré cette avancée majeure, le modèle numérique échoue quant à la prédiction quantitative. Ceci s’explique par les hypothèses faites pour la définition des fonctions de rupture. Ses hypothèses sont discutées et des pistes d’amélioration sont proposées. Néanmoins, le modèle de noyaux de rupture et les méthodes numériques développées permettent de restituer l’impact des paramètres opératoires sur la cinétique de réduction de taille des particules. De plus, la méthode présentée peut être appliquée à tous types de broyeur. Il en est de même pour le modèle de noyau de rupture. Seuls les termes prenant en compte la présence de la voie liquide devront être modifiés dans le cas d’un broyeur en voie sèche. Ce travail ouvre ainsi la voie à des études de design et d’optimisation de tout type de procédé de broyage.