ÉTUDE EXPÉRIMENALE DE LA FILTRATION SOUS HAUTE PRESSION DE ... · PDF filesa...

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  • UNIVERSIT DU QUBEC CHICOUTIMI

    TUDE EXPRIMENALE DE LA FILTRATION SOUS HAUTE PRESSION DE

    RSIDUS MINIERS EN SUSPENSION

    PAR

    SIMON GRAVEL

    B. SC. (GNIE CHIMIQUE)

    MMOIRE PRSENT

    LUNIVERSIT DU QUBEC CHICOUTIMI

    COMME EXIGENCE PARTIELLE

    DE LA MATRISE EN INGNIERIE

    OCTOBRE 2015

  • II

    ma mre Nicole Boucher

  • III

    Sommaire

    La filtration sous haute pression des rsidus miniers en suspension savre tre une

    technique hautement efficace pour augmenter la siccit de ces rsidus jusqu de trs hautes

    fractions solides. Cette augmentation de siccit offre une opportunit aux industries de

    diminuer significativement la quantit de rsidus devant tre disposs. Dans cette optique,

    le prsent travail est une tude exprimentale de la filtration sous haute pression de divers

    rsidus miniers pour lobtention de haute fraction solide.

    Le comportement rhologique de la boue rouge pendant la filtration est aussi tudi.

    Les proprits, telles que la limite dlasticit en compression, la rsistance spcifique

    massique et le taux de dposition des particules solides sous forme de gteau, sont tudies.

    En utilisant diffrentes procdures exprimentales, il a t dmontr que la limite

    dlasticit en compression de la boue rouge augmente exponentiellement et son

    comportement devient semblable celui dun solide au-del dune fraction solide massique

    denviron 70%. La rsistance spcifique massique du gteau augmente linairement selon

    sa fraction massique et le taux de dposition des particules solides atteint un plateau lorsque

    la pression de filtration dpasse 6000 kPa.

    Diffrents montages exprimentaux ont t fabriqus afin dtudier la filtration sous

    haute pression des rsidus miniers. Il est dmontr quune filtration radiale au travers une

    enveloppe filtrante compose dun empilement de disques mtalliques compresss permet

    datteindre de hautes fractions solides puisque lenveloppe peut rsister de trs hautes

  • IV

    pressions tout en assurant une bonne sparation solide-liquide. Diffrents paramtres sont

    tudis, tels que la rugosit de surface, la mouillabilit du medium, lpaisseur filtrante, la

    densit de plaques et la force de compression applique sur celles-ci. La rugosit de surface

    savre tre la proprit qui influence le plus la permabilit du filtre. Lacier inoxydable

    pulvris au jet de billes de verre et un acier recouvert de peinture cuite sont les principaux

    choix de mdium filtrant pour la filtration des rsidus miniers tudis.

    Des modles de filtration axiale et radiale de boue compressible et non-

    compressible sont prsents tout au long du prsent travail. Ces modles permettent

    dtudier de la filtration des rsidus de la production dalumine, du bore, du fer, et de la

    digestion du charbon. Des procdures exprimentales de filtration sur presse hydraulique et

    avec pompe dplacement positif permettent de filtrer sous haute pression ces divers

    rsidus. Tous les rsidus dmontrent une bonne capacit de sparation solide-liquide

    laide des mthodes employs, lexception du rsidu de la production du bore. Dans le cas

    du bore, la taille des particules et la viscosit de la suspension offre une trop grande

    rsistance pour obtenir une haute fraction solide.

  • V

    Remerciements

    Merci tout dabord mon directeur et co-directeur de recherche, Professeur Andr

    Leclerc et M. Guy Simard pour mavoir guid et support tout au long du projet.

    Merci M. Sbastien Fortin du Centre de Recherche et Dveloppement dArvida

    (CRDA), directeur de recherche en milieu pratique pour son intrt et sa prsence tout au

    long du projet.

    Merci M. Alain Boivin, galement du CRDA, pour ses conseils, ses ides et son

    implication tout au long du projet.

    Un merci particulier lquipe du laboratoire de recherche semi-industriel du

    CURAL pour leur aide et leur implication durant tout le projet. Cette quipe compose de

    M. Pascal Vandal, auteur de la majorit des dessins prsents dans ce travail et concepteur

    des diffrents montages exprimentaux, de M. Eric Lemay et de M. Charles Gagnon.

    Merci mes collgues aux cycles suprieurs, soit Mme Vronique Savard pour son

    aide et ses prcieux conseils et de Mme Myriam Auclair-Gilbert.

    Mes remerciements vont galement Rio Tinto Alcan, au CRSNG et au FQRNT

    pour leur support financier tout au long de mes tudes de 2ime cycle.

    Un dernier merci particulier ma conjointe et ma famille pour leur support moral

    sans qui ce projet naurait pu tre une russite.

  • VI

    TABLE DES MATIRES

    SOMMAIRE III

    REMERCIEMENTS V

    TABLE DES MATIRES VI

    LISTE DES FIGURES XII

    LISTE DES TABLEAUX XVI

    NOMENCLATURE ET UNITS XVII

    1. INTRODUCTION 1

    1.1. PROBLMATIQUE ET OBJECTIFS 3

    1.2. REVUE DES TRAVAUX ANTRIEURS 6

    2. TECHNIQUES DE SPARATION SOLIDE-LIQUIDE 9

    2.1. INTRODUCTION 9

    2.2. CARACTRISATION DES PARTICULES SOLIDES 9

    2.2.1. Forme et distribution de la taille des particules 10

    2.2.2. Densit des particules 11

    2.2.3. Proprits de surface des particules 11

  • VII

    2.2.4. Caractrisation de la boue rouge 12

    2.3. DCANTATION 13

    2.3.1. La nature des particules 14

    2.3.2. Les effets de concentration 16

    2.3.3. Les prtraitements 17

    2.3.3.1. La coagulation 17

    2.3.3.2. La floculation 18

    2.3.4. La forme des dcanteurs 18

    2.4. CENTRIFUGATION 19

    2.4.1.1. Les hydrocyclones 19

    2.4.1.2. Les centrifugeuses 20

    2.5. FILTRATION 21

    2.5.1. Mthode de filtration 21

    2.5.1.1. Filtration gravitationnelle 21

    2.5.1.2. Filtration sous vide 21

    2.5.1.3. Filtration sous pression 22

    2.5.1.4. Filtration centrifuge 23

    2.5.2. Types de filtration 23

    2.5.2.1. Filtration sur gteau 24

    2.5.2.2. Filtration lit profond 24

    3. RHOLOGIE ET PROPRITS DES FLUIDES PARTICULAIRES 26

  • VIII

    3.1. INTRODUCTION 26

    3.2. IMPORTANTS CONCEPTS RHOLOGIQUES 26

    3.2.1. Contrainte de cisaillement et vitesse de dformation 26

    3.2.2. Viscosit dynamique 28

    3.2.3. Technique de caractrisation 28

    3.3. COMPORTEMENTS ET MODLES DCOULEMENT 29

    3.3.1. Comportement indpendant du temps 29

    3.3.2. Comportement dpendant du temps 33

    3.3.2.1. Thixotropie 33

    3.3.2.2. Rhopexie 34

    3.4. CLASSIFICATION DE LPAISSISSEMENT DES SUSPENSIONS 35

    3.5. COMPRESSIBILIT 37

    3.5.1. Point de gel 38

    3.5.2. Limite dlasticit en compression 40

    4. FILTRATION SOUS PRESSION 41

    4.1. INTRODUCTION 41

    4.2. RELATION DBIT-PERTE DE CHARGE 41

    4.2.1. Loi de Darcy 41

    4.2.2. Loi de Darcy modifie 42

    4.3. QUATIONS DE BASE GTEAU INCOMPRESSIBLE 43

    4.3.1. Filtration pression constante 46

  • IX

    4.3.2. Filtration dbit constant 47

    4.4. QUATIONS DE BASE GTEAU COMPRESSIBLE 48

    4.4.1. Filtration pression constante 50

    4.4.2. Filtration dbit constant 50

    4.5. MODLE DE FILTRATION RADIALE 50

    4.5.1. Filtration pression constante 52

    5. MONTAGES ET PROTOCOLES EXPRIMENTAUX 54

    5.1. MONTAGES EXPRIMENTAUX 54

    5.1.1. Filtre membrane 54

    5.1.2. Filtres plaques 54

    5.1.2.1. Filtration linaire 55

    5.1.2.2. Filtration radiale 56

    5.2. PROTOCOLES EXPRIMENTAUX DE FILTRATION 58

    5.2.1. Filtration sur presse hydraulique 58

    5.2.1.1. Filtration pression constante 59

    5.2.1.2. Filtration pression constante tage 60

    5.2.1.3. Filtration dbit constant 61

    5.2.2. Filtration avec pompe dplacement positif 62

    5.3. MTHODES DE CARACTRISATION 63

    5.3.1. Gravimtrie 63

    5.3.2. Rugosit des plaques de filtration 65

  • X

    5.3.3. Mouillabilit de la surface des plaques 69

    5.3.4. Force de compression entre les plaques 71

    6. RSULTATS ET DISCUSSION 72

    6.1. FILTRATION DE LA BOUE ROUGE SUR MEMBRANE 72

    6.1.1. Prparation des chantillons de boue rouge 72

    6.1.2. Limite dlasticit en compression 73

    6.1.3. Classification de ltat de la boue rouge 75

    6.1.4. Rsistance spcifique massique 76

    6.1.5. Taux de dposition des particules solides 79

    6.1.6. Calculs derreurs 81

    6.2. CARACTRISATION DES PLAQUES DE FILTRATION 82

    6.2.1. Rugosit des plaques de filtration 82

    6.2.1.1. Rsultats du profilomtre 82

    6.2.1.2. Rsultats du rugosimtre 85

    6.2.2. Mouillabilit des plaques de filtration 89

    6.3. FILTRATION LINAIRE AVEC FILTRE PLAQUES 91

    6.3.1. Filtration sur gteau de boue rouge dbit constant 91

    6.3.2. Encrassement des filtres plaques 95

    6.4. FILTRATION RADIALE AVEC FILTRE PLAQUES 97

    6.4.1. Filtration continue avec pompe dplacement positif 97

    6.4.2. Filtration sur presse hydraulique dbit constant 101

  • XI

    6.4.2.1. Densit de fentes 101

    6.4.2.2. Type de disques 103

    6.4.3. Filtration du rsidu de la digestion du charbon 105

    6.4.3.1. Composition 105

    6.4.3.2. Filtration avec de lhuile de canola pure 108

    6.4.3.3. Filtration de la suspension pression constante 110

    6.4.4. Filtration de divers rsidus miniers 112

    6.4.4.1. Paramtres exprimentaux 112

    6.4.4.2. Rsultats de la filtration 113

    7. CONCLUSION 115

    BIBLIOGRAPHIE 120

    ANNEXES 123

  • XII

    Liste des figures

    Figure 1.1 : Schma du procd Bayer de RTA 2

    Figure 2.1 : Guide de slection de la technologie de sparation solide-liquide selon la t