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UNIVERSITE DU QUEBEC A CHICOUTIMI MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À C

UNIVERSITE DU QUEBEC A CHICOUTIMI MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN INGÉNIERIE PAR MICHÈLE DUBOIS MODELISATION MATHEMATIQUE D'UN FOUR ROTATIF DE CALCINATION D'ALUMINE OCTOBRE 1996 bibliothèque Paul-Emile-Bouletj UIUQAC Mise en garde/Advice Afin de rendre accessible au plus grand nombre le résultat des travaux de recherche menés par ses étudiants gradués et dans l'esprit des règles qui régissent le dépôt et la diffusion des mémoires et thèses produits dans cette Institution, l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) est fière de rendre accessible une version complète et gratuite de cette œuvre. Motivated by a desire to make the results of its graduate students' research accessible to all, and in accordance with the rules governing the acceptation and diffusion of dissertations and theses in this Institution, the Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) is proud to make a complete version of this work available at no cost to the reader. L'auteur conserve néanmoins la propriété du droit d'auteur qui protège ce mémoire ou cette thèse. Ni le mémoire ou la thèse ni des extraits substantiels de ceux-ci ne peuvent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. The author retains ownership of the copyright of this dissertation or thesis. Neither the dissertation or thesis, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. À mon père, qui en luttant contre le cancer, m'a appris à profiter de tous les instants que la vie peut offrir, et surtout à ne jamais abandonner nos rêves... REMERCIEMENTS Je tiens à remercier toutes les personnes qui, de près ou de loin, m'ont permis de réaliser ce projet. En particulier mon directeur de recherche, monsieur André Charette, dont je ne saurais passer sous silence la très grande gentillesse et qui m'a apporté, par sa compétence et sa disponibilité, tout le support nécessaire à l'élaboration de ce projet. À mon codirecteur, madame Duygu Kocaefe, qui m'a toujours été d'une grande aide et qui a toujours su répondre à mes questions avec clarté et intérêt. Un très gros merci également à monsieur Rung Tien Bui qui m'a toujours fait confiance et qui m'a constamment appuyée tout au long de mes travaux. J'aimerais aussi remercier messieurs Guy Simard et André Arsenault, pour leurs précieux conseils et leur patience. Je remercie également monsieur Jean Perron du Centre de Recherche et Développements d'Arvida pour le temps qu'il m'a consacré et la visite organisée à l'usine Vaudreuil. Merci à madame Hélène Pinard, ingénieure à l'usine Vaudreuil d'Arvida pour le temps qu'elle m'a accordé et pour toute la documentation qu'elle m'a fait parvenir. Je tiens également à remercier tous les membres du Groupe de Recherche en Ingénierie des Procédés et Systèmes (GRIPS) pour l'accueil qu'ils m'ont réservé au sein du groupe. Je garderai un très bon souvenir de vous tous. Je remercie également la Chaire Industrielle CRSNG-ALCAN pour le support financier qu'elle m'a apporté tout au long de mes travaux de maîtrise. J'aimerais finalement remercier ma famille qui m'a appuyée et encouragée tout au long de mes études. RESUME Le but de ce projet était d'élaborer un modèle mathématique, statique et à une dimension, pour la simulation d'un four de calcination d'alumine actuellement en opération à l'usine Vaudreuil d'Arvida. Le modèle devait être simple, robuste et général afin de pouvoir s'adapter pratiquement à n'importe quel mode de fonctionnement. Le but premier du modèle était de pouvoir prédire les profils de température à l'intérieur du four, soit les profils de température pour le lit d'alumine, pour le gaz, la paroi intérieure et la paroi extérieure. Le modèle a été élaboré à partir d'équations différentielles provenant de bilans thermiques et massiques effectués sur de fines tranches de four. En plus des profils de températures, le modèle permet d'obtenir beaucoup d'autres résultats intéressants tels la composition du lit à toute position dans le four, les propriétés du gaz et la quantité de poussière produite. Le modèle montre clairement que la présence de poussière, en favorisant les échanges thermiques, influence grandement le comportement global du four. À l'usine Vaudreuil d'Arvida, on procède à l'occasion à différents tests paramétriques afin d'optimiser la production d'alumine. Une étude effectuée à l'aide du modèle a pu démontrer la solidité et la souplesse de celui-ci en ce qui a trait à son utilisation éventuelle pour l'amélioration du procédé de calcination de l'alumine. Il est en effet possible de faire varier n'importe quel paramètre de fonctionnement du four et d'observer son comportement. Il s'avère ainsi plus économique, en temps et en argent, de faire une étude paramétrique à l'aide du modèle que des tests sur l'installation réelle. Sous sa forme actuelle le modèle s'avère déjà très efficace. La plupart des résultats qu'il produit sont très près des mesures d'usine et il peut déjà permettre à l'usine Vaudreuil d'étudier l'ensemble des paramètres affectant la production. Certaines améliorations peuvent par contre être apportées au modèle comme par exemple les ajouts de chlore dans le gaz, et de fluorure d'aluminium et d'oxyde basique de sodium dans le solide. TABLE DES MATIERES Remerciements iii Résumé iv Table des matières v Liste des figures ix Liste des tableaux xiii Liste des annexes xv Nomenclature xvi 1.0 Introduction 1 1.1 Préambule.... 1 1.2 Le procédé Bayer 3 1.3 Le four de calcination d'alumine 5 1.4 Travaux antérieurs 10 1.5 Contribution du présent travail 18 2.0 Le modèle 21 2.1 Introduction 21 2.2 Élaboration du modèle 22 VI 2.2.1 Hypothèses simplificatrices 22 2.2.2 Équations différentielles 25 2.2.3 Température de la paroi du four 34 2.2.4 Méthode de résolution 36 2.2.5 Fonctionnement du programme 37 2.3 Evaporation de l'eau 41 2.3.1 Température d'évaporation 41 2.3.2 Cinétique de l'évaporation de l'eau .46 2.4 La cinétique de calcination de l'alumine 46 2.4.1 Transformations physiques de l'alumine 53 2.4.2 Cinétique chimique de la déshydratation du trihydrate d'alumine 56 2.4.3 Cinétique chimique de la déshydratation du monohydrate d'alumine 58 2.4.4 Cinétique chimique de transformation de l'alumine gamma en alumine alpha 60 2.4.5 Chaleurs de réaction 62 2.4.6 Techniques utilisées pour augmenter les vitesses de réaction 65 2.5 La combustion du gaz naturel 69 2.6 La poussière 79 2.7 Transferts de chaleur 80 2.7.1 Transfert de chaleur entre le gaz et le mur intérieur 87 vu 2.7.2 Transfert de chaleur entre le gaz et le solide (lit de particules) 88 2.7.3 Transfert de chaleur entre le mur et le solide 89 2.7.4 Transfert de chaleur entre le mur extérieur et l'air ambiant 90 2.7.5 Transfert de chaleur à travers la paroi 91 2.7.6 Transferts de chaleur au niveau des refroidisseurs planétaires 91 2.8 Conclusion 101 3.0 Résultats 103 3.1 Introduction 103 3.2 Conditions d'opérations actuelles 104 3.3 Résultats fournis par le modèle 105 3.3.1 Transferts de chaleur dans le four 108 3.3.2 Réactions chimiques 111 3.3.3 Effets de la poussière 118 3.4 Validation du modèle 132 3.5 Étude paramétrique 139 3.5.1 Effets du débit de gaz naturel 143 3.5.2 Effets du débit d'hydrate 145 3.5.3 Effets du débit d'air primaire 148 3.5.4 Autres effets des débits de gaz naturel, d'hydrate et d'air primaire 150 vin 3.5.5 Influences des autres paramètres de fonctionnement 154 3.6 Robustesse du modèle 172 3.7 Conclusion 173 4.0 Conclusion 175 Bibliographie 178 Annexes Annexe 1-Constantes 186 Annexe 2-Relations mathématiques 187 Annexe 3- Théorie sur la cinétique chimique 188 Annexe 4- Équations différentielles pour chaque zone du four 191 Annexe 5- Propriétés des gaz 196 Annexe 6- Liste des résultats fournis par le modèle 202 LISTE DES FIGURES FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FTGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FTGURE FIGURE FIGURE FIGURE 1.1: 17- 1.3: 1.4- 2.1: 2.2: 2,3: 7.4- 2.5; 7.6- 7.7- 2.8: 7.9- 2.10: 2,11: 2.12: 2.13: Procédé Bayer. Four de calcination d'alumine. Disposition des refroidisseurs planétaires autour du four. Division du four de calcination d'alumine selon Gordon. Tranche de four. Tranche de solide dans la zone d'évaporation. Tranche de gaz de la zone d'évaporation. Bilan thermique sur la paroi du four. Sens de la simulation. Organigramme général du programme. Courbe de la vitesse de séchage de l'eau en fonction du taux d'humidité (Treybal, 1980). Séquences de transformation de l'alumine. Transformation de la gibbsite en boehmite. Schéma du brûleur. Graphique de la température de fin de combustion en fonction de la richesse. Gradient de température dans une flamme. Transferts de chaleur dans le four. X FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE FIGURE 2,14 ? 15 ? 16 31- 3?,- 3-3: 3 4- 3.5: 3,6: 3.7: 3 8- 3 9- 3 10 3 11 3.12 3-13 3.14 3,15 3 16 Coupe transversale du four. Disposition des refroidisseurs planétaires autour du four (coupe radiale). Géométrie reliée aux refroidisseurs planétaires. Profil de températures pour le four numéro 3. Profil de températures pour le four numéro 5. Transferts de chaleur dans le four numéro 3 (avec poussière). Transferts de chaleur dans le four numéro 5 (avec poussière). Fractions des constituants dans le lit de solide du four 3. Fractions des constituants dans le lit de solide du uploads/Industriel/ universite-du-quebec-a-chicoutimi.pdf