Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Pour l’industrie de l’aluminium, la compréhension de l’injection à la dissolution de l’alumine dans le bain électrolytique est critique pour identifier le point optimal des conditions d’opération. De l’injection à la complète dissolution, plusieurs mécanismes physiques et chimiques interagissent : mécanique des solides et des fluides, transfert de chaleur, changement de phase et dissolution. Le modèle mathématique présenté dans cette thèse utilise la méthode des éléments discrets (DEM) pour considérer la poudre d’alumine solide sous la forme d’un matériau granulaire. Il est couplé à la méthode « hydrodynamique des particules lissées (SPH) pour simuler le liquide électrolytique. Dans l’optique d’accélérer le calcul, le simulateur utilise les cartes graphiques pour utiliser le potentiel du calcul parallèle. Le modèle permet également le calcul du transfert thermique et la formation de l’agrégat lié au frittage de l’alumine. De plus, le changement de phase est intégré au modèle pour considérer l’effet de la solidification du bain sur la formation du radeau. Finalement, le rythme de dissolution de l’alumine est calculé localement selon les conditions présentes. Une analyse des résultats de ces effets combinés permet de mettre en évidence les pistes d’amélioration du processus et des conditions d’injection de l’alumine. Le développement d’un modèle nécessite plusieurs validations pour calibrer le modèle. Les expériences de validations sont divisées en deux méthodologies : le développement de validation avec des expériences analogues à basse température et des validations d’injection sous des conditions rapprochées des conditions industrielles (alumine + bain en fusion). La faciliter d’approche des modèles analogues permet d’apporter une meilleure compréhension des phénomènes physiques présents lors de l’injection d’un matériau granulaire dans un liquide. Ces validations consistent en l’injection de graines de moutarde refroidies à l’azote liquide dans l’eau pour observer la mécanique des solides et des fluides, le transfert thermique et le changement de phase. Certaines validations à basse température sont aussi réalisées avec des échantillons de sel pour étudier les liens entre le transfert thermique, le changement de phase et la dissolution. Ces validations utilisent plusieurs technologies pour observer les phénomènes : caméra haute vitesse, imagerie schlieren et vélocimétrie par images de particules. Pour effectuer les validations à haute température, la température de la surface supérieure du radeau a été suivie avec une caméra thermique suivant l’injection dans le bain électrolytique. Dans d’autres cas, il y a eu repêchage des radeaux pour permettre de faire une analyse visuelle de ses propriétés. À la suite du développement du modèle et de la validation, une simulation de référence a été établie utilisant plusieurs paramètres correspondant aux validations, ou bien à des conditions typiques de l’industrie. Ce cas a permis d’identifier certains comportements typiques de l’ensemble du processus. Subséquemment, une étude paramétrique est réalisée pour analyser l’influence de ces paramètres sur la formation du radeau d’alumine. Les résultats permettent de mettre en évidence les paramètres d’entrée qui ont la plus forte influence sur le processus de dissolution d’alumine tout en offrant une explication détaillée concernant les conséquences observées suite à la modification de chacun des paramètres étudiés, que ce soit: la variation de surface de contact alumine-bain, la quantité de bain solidifié ou principalement, le rythme de dissolution d’alumine.

For primary aluminum producers, understanding each step of alumina feedings is critical to reach optimal process conditions. From the injection of the powder to its complete dissolution, several physical and chemical mechanisms are interacting: solid and fluid mechanics, heat transfer, phase change and dissolution. The mathematical model presented in this thesis uses the discrete element method (DEM) to consider the solid alumina powder as an individual particle. It is coupled to the "smoothed particle hydrodynamics" (SPH) method to simulate the liquid electrolyte. In order to decrease the computational time, the simulator uses graphics cards to use the benefits of parallel computing. The model is also used to calculate the heat transfer and coalescence of solid materials resulting from alumina sintering. Then, phase change is integrated into the model to consider the cohesion effect caused by bath. Consecutively, the dissolution rate of alumina particles is calculated locally for each respective set of conditions. A detailed study of the combined effect of these mechanisms will lead to enhanced injection conditions leading to improved alumina dissolution in electrolysis cells. The development of a model requires several validations to tune the model. Validation experiments are divided into two methodologies: validation development with analogous low temperature experiments and alumina injection validations at high temperature. The versatility offered from analogue validations provides deeper understanding of the physical phenomena in effect during the injection of a granular material into a liquid. The setup used consists of injecting mustard seeds cooled with liquid nitrogen into water to observe solids and fluids mechanics, heat transfer and phase change. Low temperature validations were also carried out with salt samples to study the interactions between heat transfer, phase change and dissolution. Several technologies were used to observe these phenomena: high-speed camera, schlieren imaging and particle image velocimetry. High-temperature validations were performed while injecting alumina into electrolytic bath. Under a controlled environment, the temperature of the upper surface of the generated raft was monitored using an infrared camera. In other experiments, the raft itself was collected after a specific time to perform a visual analysis of its structure. Following the development of the model and the validations, a reference scenario was used using parameters corresponding to the validations and typical industrial values. This scenario can pinpoint the expected behaviour during the injection and dissolution process. Finally, a parametric study is carried out to analyze the influence of input parameters on the formation of the alumina raft. The results make it possible to highlight the parameters with the upmost effect on the process, which pave forward potential applications for further optimization of the dissolution of alumina, whether it is by enhancing the surface contact between the alumina and the bath, or reducing the amount of solidified bath, in order to directly improve the alumina dissolution rate.