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Interactions solides-fluide
Mise en œuvre des poudres - Principes physiques des solides divisés
J2245 v1 Article de référence

Interactions solides-fluide
Mise en œuvre des poudres - Principes physiques des solides divisés

Auteur(s) : Khashayar SALEH

Date de publication : 10 avr. 2022

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RÉSUMÉ

La maîtrise et l’optimisation des procédés solides divisés nécessitent de connaître les techniques de caractérisation de leurs propriétés en lien avec les procédés utilisés ou les fonctionnalités recherchées. L’objectif de cet article est de présenter les bases scientifiques nécessaires à l’élaboration ou à l’utilisation des techniques de caractérisation des solides divisés. Il présente un aperçu général des particularités, voire des singularités, qui différencient la phase "solides divisés" des autres états de matière ainsi que des facteurs importants et des principes généraux qui régissent le comportement des poudres dans différents environnements/conditions.

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Auteur(s)

  • Khashayar SALEH : Professeur des Universités - Alliance Sorbonne/Université de Technologie de Compiègne - Département Génie des Procédés Industriels - Labo. TIMR, France

INTRODUCTION

La majorité des produits mis en œuvre dans l'industrie chimique ou utilisés dans notre vie quotidienne passent à un moment ou un autre de leur cycle de vie sous forme de poudre. La maîtrise et l’optimisation des propriétés d’usage de ces produits ainsi que des procédés qui les leur confèrent nécessite une meilleure compréhension du comportement des solides divisés. Néanmoins, malgré leur importance industrielle et économique, la physique des milieux granulaires n’est pas encore assez bien établie et le comportement des poudres lors des différentes opérations de mise en œuvre ou de mise en forme reste encore mal maîtrisé. Cette difficulté à décrire le comportement des milieux granulaires résulte essentiellement de la nature divisée des systèmes concernés qui leur confère des spécificités, voire des singularités, les distinguant manifestement des milieux continus classiques gaz, liquide ou solide. Ces particularités ont même poussé certains scientifiques à considérer l’état « solides divisés » comme un (quatrième) état de matière à part entière. Or, la connaissance de ces éléments distinctifs, décrits dans cet article, est un préalable indispensable pour une meilleure maîtrise des procédés de mise en œuvre des poudres ainsi qu’une interprétation éclairée des résultats issus de certains tests de caractérisation. Il s’agit plus particulièrement des principes fondamentaux de la statique des milieux granulaires ainsi que des interactions, solides-solides ou solides-fluides, qui peuvent être présentes au sein de ces milieux. Les principaux objectifs et enjeux de la caractérisation des poudres sont également présentés.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j2245

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3. Interactions solides-fluide

En raison de leur surface spécifique importante ainsi que de la présence de l’espace interstitiel voire de la porosité intragranulaire, les interactions entre une poudre et les fluides sont différentes de celles rencontrées avec les solides massifs. Les phénomènes décrits dans ce paragraphe jouent un rôle important aussi bien dans les procédés de traitement que dans les techniques de caractérisation des solides divisés.

3.1 Adsorption/désorption

Tout fluide, vapeur ou liquide, en contact avec la surface d’un corps solide s’y fixe partiellement. Cette fixation des molécules à la surface du solide, appelée adsorption, est en général exothermique et réversible, le phénomène inverse, la désorption, est donc endothermique. Ce phénomène, étant surfacique (contrairement à l’absorption qui est volumique), il est particulièrement intense dans le cas des poudres, cela en raison de la grande surface qu’elles développent. Ce principe est mis à profit aussi bien pour les procédés de traitement des fluides (par exemple la dépollution des effluents liquides ou gazeux) que pour la caractérisation texturale des poudres. Pour des systèmes dilués (faibles concentrations d’adsorbat), l’équilibre thermodynamique est convenablement décrit par la loi de Henry, qui suppose que la quantité de l’espèce adsorbée est proportionnelle à sa concentration dans la phase fluide, et la cinétique d’adsorption/désorption est décrite par la loi de Langmuir qui suppose une loi cinétique de premier ordre pour l’adsorption (désorption) par rapport à la fraction disponible (occupée) des sites actifs. Pour des systèmes plus concentrés, d’autres phénomènes tels que l’adsorption multicouche ou la condensation capillaires entrent en jeu.

HAUT DE PAGE

3.2 Condensation/évaporation capillaire. Loi de Kelvin

L’espace interstitiel et, le cas échéant, la porosité interne des particules constituent des espaces confinés dans lesquels les interactions solides-fluide sont accentuées.

La porosité des matériaux est conventionnellement classée en trois catégories selon la taille caractéristique r de...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CHARPENTIER (J.C.), Mc KENNA (T.F.) -   Managing complex systems : some trends for the future of chemical and process engineering.  -  Chemical Engineering Science, 59(8) : p. 1617-1640 (2004).

  • (2) - DURAN (J.) -   Sables poudres et grains introduction à la physique des matières granulaires.  -  Eyrolles Sciences ed. (1997).

  • (3) - RUMPF (H.) -   The strength of granules and agglomerates.  -  In Agglomeration, KNEPPER (W.A.), John Wiley. p. 379-418 (1962).

  • (4) - BRUCE (E.P.), JOHN (M.P.), John (P.O.C.) -   Properties of Gases and Liquids.  -  Fifth Edition. New York : McGraw-Hill Education (2001).

  • (5) - SALEH (K.), GUIGON (P.) -   Mise en œuvre des poudres – Stockage et écoulement des silos.  -  Techniques de l'Ingénieur, article [J 2 255] (2012).

  • (6)...

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