Modélisation de procédés de séparation gravimétrique par analyse physique et simulation numérique du transport et des interactions entre particules

Offre de thèse

Modélisation de procédés de séparation gravimétrique par analyse physique et simulation numérique du transport et des interactions entre particules

Date limite de candidature

01-12-2024

Date de début de contrat

01-10-2024

Directeur de thèse

KROLL-RABOTIN Jean-Sébastien

Encadrement

La thèse se déroulera à Nancy, à l'Institut Jean Lamour et au laboratoire GeoRessources, sous la direction de Jean-Sébastien Kroll-Rabotin (IJL) et Yann Foucaud (GR). Pour les campagnes de simulation et expérimentales, le mésocentre de calcul EXPLOR (http://explor.univ-lorraine.fr/) et la plateforme STEVAL (https://georessources.univ-lorraine.fr/fr/content/steval) seront utilisés.

Type de contrat

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

école doctorale

C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE

équipe

DEPARTEMENT 3 - SI2M : 301 - Procédés d'élaboration

contexte

L'Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l'Université de Lorraine. Il est rattaché à l'Institut de Chimie du CNRS. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique. L'IJL compte 263 permanents (30 chercheurs, 134 enseignants- chercheurs, 99 IT-BIATSS) et 394 non-permanents (182 doctorants, 62 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 150 stagiaires), de 45 nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays. Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus Artem à Nancy.

spécialité

Mécanique des Matériaux

laboratoire

IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR

Mots clés

Simulation numérique, Écoulement polyphasqiue, Modélisation, Procédés, Séparation physique, Génie minier

Détail de l'offre

À l'heure actuelle, l'approvisionnement en métaux rares (Sn, W, Nb, Ta, Li…) est critique pour
l'économie mondiale en raison du développement des nouvelles technologies, de l'émergence des
nouveaux pays industrialisés et du monopole détenu par un petit nombre de pays sur leur
production. En Europe, les ressources en métaux rares sont essentiellement associées aux granites
de la chaîne varisque, qui contient des volumes très importants en W, Ta, Sn et Li. De plus, l'Europe
dispose de résidus miniers contenant encore des quantités significatives de métaux. Toutefois, ces
gisements sont complexes à traiter : ils présentent des textures fines, des faibles teneurs et des
gangues complexes. Le traitement des minerais fins présente un véritable défi en raison de
l'inefficacité de la plupart des techniques conventionnelles face à la finesse du minerai : l'efficacité de
la séparation décroit significativement lorsque les minéraux d'intérêts deviennent plus fins. Cela
demande l'adoption d'approches spécifiques afin de produire, à partir du nombre très important de
gisements/résidus à faible teneur, des concentrés métalliques acceptables pour l'étape
d'hydrométallurgie consécutive. Les séparateurs centrifuges, comme les concentrateurs Falcon, sont
les plus utilisés au monde pour traiter par gravité des particules fines, permettant d'obtenir de très
bons résultats en matière de récupération. Ces appareils utilisent la force centrifuge pour augmenter
le champ de gravitation appliqué sur les particules et ainsi diminuer la taille limite conduisant à de
bonnes performances de la séparation par gravité.

Les concentrateurs gravimétriques, particulièrement les bols centrifuges Falcon, seront étudiés et
leur principe de fonctionnement simulé à l'aide d'un logiciel couplant la résolution de l'écoulement
avec une méthode de Boltzmann sur réseau (LBM), les interactions entre particules avec des
éléments discrets (DEM) et la résolution complète du couplage entre phases solide et liquide avec
des frontières immergées (DEM). Les résultats de simulations permettront d'interpréter et de
compléter la base de données expérimentale déjà constituée lors de collaborations précédentes des
encadrants de cette thèse. Ces travaux devront aussi être complétés par une analyse physique
s'appuyant sur des modèles de resuspension de la littérature et des essais expérimentaux ciblés sur
les séparateurs disponibles sur l'usine pilote STEVAL du laboratoire GeoRessources.

Keywords

Simulation, Mutliphase flow, Modelling, Process engineering, Physical separation, Mining

Subject details

Centrifugal bowls, such as Falcon concentrators, are the most commonly used devices to operate gravity separation of fine particles since they achieve high recovery. They appear as promising solutions to handle deposits of rare metals such as W, Ta, Sn and Li that are complex to handle : indeed, these are usually characterized by by a very fine texture, low grades and complex gangues. In this study, particle transport and interaction within gravity concentrators will be simulated by coupling a Lattice Boltzmann Method (LBM) for carrying liquid phase, and a Discrete Element Method (DEM) for particle interactions, through a fully resolved coupling between the two phase motions using an Immersed Boundary Method (IBM). Simulation results will complete the experimental database on the separation operated by such concentrators and shed light on the underlying physical mechanisms at play. The simulations will be conducted at Institut Jean Lamour and make use of the Explor High Performance Computating platform. Based on the simulations and on resuspension models published in the scientific literature, targeted experimental campaigns will be designed and conducted in the pilot scale experimental platform STEVAL of the GeoRessources laboratory.

Profil du candidat

• Titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou d'un Master 2 dans le domaine de la mécanique des fluides, de la simulation numérique, du génie des procédés ou du génie minier.
• Connaissances nécessaires en mécanique des fluides.
• Connaissances souhaitées en méthodes numériques, calcul scientifique et/ou en programmation.
• Goût pour la simulation numérique et le calcul haute performance (High Performance Computing).

Candidate profile

• Masters degree in engineering with classes in fluid mechanics, simulation and modelling, process engineering and/or mining.
• Required education in fluid dynamics.
• Education in numerical methods, scientific computing and/or programming would be appreciated.
• Taste for pour simulation and High Performance Computing (HPC).

Référence biblio

Kroll-Rabotin, J.-S., Bourgeois, F., & Climent, É. (2012). Experimental validation of a fluid dynamics based model of the UF Falcon concentrator in the ultrafine range. Separation and Purification Technology, 92, 129‑135. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.10.029

Kroll-Rabotin, J.-S., Bourgeois, F., & Climent, É. (2013). Physical analysis and modeling of the Falcon concentrator for beneficiation of ultrafine particles. International Journal of Mineral Processing, 121, 39‑50. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2013.02.009

Dehaine, Q., Foucaud, Y., Kroll-Rabotin, J.-S., & Filippov, L. O. (2019). Experimental investigation into the kinetics of Falcon UF concentration : Implications for fluid dynamic-based modelling. Separation and Purification Technology, 215, 590‑601. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.01.048

Foucaud, Y., Dehaine, Q., Filippov, L. O., & Filippova, I. V. (2019). Application of Falcon Centrifuge as a Cleaner Alternative for Complex Tungsten Ore Processing. Minerals, 9(7), Article 7. https://doi.org/10.3390/min9070448