Experimental study and modeling of industrial sludge drying mechanisms
Étude expérimentale et modélisation des mécanismes du séchage de boues industrielles
Résumé
This thesis work focuses on the experimental study and modeling of the mechanisms of industrial sludge drying. The industrial partner of this thesis has proposed the process of in situ sludge drying, which aims at conditioning co-precipitation sludge from the reprocessing of radioactive effluents by drying inside a drum. This process allows the removal of water from the sludge by heat treatment under vacuum. The aim is to obtain a dry and stable sludge with the lowest possible water content. The main objective of this work is then to identify the phenomena that occur within the sludge during drying, to identify the physical and chemical processes involved in order to model the drying process. The phenomena present can be grouped into transfer phenomena (heat and mass) and shrinkage. In addition, during drying the concentrations of soluble salts increase due to evaporation. When the solubility thresholds are reached, salts precipitate, highlighting the phenomenon of crystallization which only occurs at the end of the sludge drying process. These phenomena depend mainly on the transfer parameters which vary according to the operating conditions of the drying process (temperature, pressure and relative humidity), the water content of the sludge and the shrinkage. The experimental drying study includes the acquisition of the intrinsic characteristics of the sludge as a function of water content, temperature and pressure. A numerical model that simulates the sludge drying process on small scale is developed under COMSOL-Multiphysics and takes into account the deformable geometry of the material. The equations are validated on the basis of the experimental results. A change of scale is implemented with the design of a lab-scale device (1/23rd of the industrial drum). Sludge drying experiments carried out at this scale are dedicated to the validation of the model. Parametric and sensitivity studies are also carried out on the drying model.
Ce travail de thèse s’intéresse à l’étude expérimentale et à la modélisation des mécanismes du séchage de boues industrielles. Le partenaire industriel de cette thèse a proposé le procédé de séchage de boue in situ, qui vise le conditionnement de boues de co-précipitation issues du retraitement d’effluent radioactifs par séchage à l’intérieur d’un fût. Ce procédé permet d’éliminer l’eau de la boue par un traitement thermique sous vide. La finalité est d’obtenir une boue sèche et stable, avec la plus faible teneur en eau possible. L’objectif principal de ce travail est alors d’identifier les phénomènes qui se produisent au sein de la boue au cours du séchage, d’identifier les processus physiques et chimiques mis en jeu afin de modéliser le séchage. Les phénomènes présents peuvent se regrouper en phénomènes de transferts (chaleur et de matière) et en rétrécissement. De plus, lors du séchage les concentrations en sels solubles augmentent dû à l’évaporation. A l’atteinte des seuils de solubilités, des sels précipitent mettant en évidence le phénomène de cristallisation qui n’intervient qu’en fin du séchage de la boue. Ces phénomènes dépendent principalement des paramètres de transferts qui varient en fonction des conditions opératoires du séchage (température, pression et humidité relative), de la teneur en eau de la boue et du retrait. L’étude expérimentale de séchage comprend l’acquisition des caractéristiques intrinsèques de la boue en fonction de la teneur en eau, la température et la pression. Un modèle numérique qui simule le procédé de séchage de la boue à petite échelle est développé sous COMSOL-Multiphysics et prend en compte la géométrie déformable du matériau. Les mises en équations sont validées à partir des résultats expérimentaux. Un changement d’échelle est mis en œuvre avec la conception d’une maquette à l’échelle du laboratoire (1/23ème du fût industriel). Des expériences de séchage de boue réalisées à cette échelle sont dédiées à la validation du modèle. Une étude paramétrique et une étude de sensibilité sont également réalisées sur le modèle de séchage.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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