2013 Sujet de thèse n°7 - LRGP Caractérisation d`extrudeuses bi

2013 Sujet de thèse n°7 - LRGP
Caractérisation d’extrudeuses bi-vis en tant que
mélangeurs/réacteurs par une approche de type rhéologie
systémique
Encadrant : Guo-Hua Hu, Professeur, [email protected]
Co-encadrants : Cécile Lemaître, MCF, [email protected]
Résumé :
Ce projet a pour objet de caractériser la performance d’extrudeuses bi-vis en tant que
mélangeurs/réacteurs par une approche de type rhéologie systémique. De par leur capacité à
transporter et à mélanger des systèmes de très hautes viscosités, les extrudeuses bi-vis sont
largement utilisées pour la transformation de la matière (polymères, biomasses, aliments, …).
Cependant la description et la prédiction de l’écoulement et du champ de cisaillement demeurent un
défi considérable en raison du couplage fort entre la complexité géométrique de l’extrudeuse et celle
du comportement thermomécanique du système. Deux catégories d’approches ont été développées :
l'
une consiste à représenter l’extrudeuse par une association de réacteurs idéaux, l’autre décrit
l’écoulement en chaque point de l’espace par la mécanique des fluides. La première a l’avantage
d’être assez simple avec un faible coût numérique mais sa capacité de prédiction est faible, alors que
la deuxième est très coûteuse mais prédictive.
Notre laboratoire dispose de plusieurs types d’extrudeuses utilisées pour de nombreuses activités de
recherche. Nous souhaitons développer une approche intermédiaire bien plus prédictive que la
première approche et impliquant des calculs bien moins lourd que la seconde. Cette approche dite de
rhéologie systémique consiste à représenter la géométrique de l’extrudeuse par une association de
sous-géométries dont les écoulements sont peuvent être décrits de manière analytique ou
numériquement suffisamment simple. Une telle approche a déjà montré son efficacité dans les
procédés "batch" pour décrire des cuves agitées (Couette virtuel) et est actuellement étendue à des
procédés continus utilisant, notamment, des mélangeurs statiques (Poiseuille virtuel). L'
extrusion
pouvant être vue comme un procédé intermédiaire associant agitation et écoulement, nous
envisageons de développer une approche de type "vis d'
Archimède virtuelle" qui peut être vue comme
la combinaison d'
un Couette virtuel et d'
un Poiseuille virtuel.
Le projet s'
articulera autour de 5 grandes tâches :
1. Mise en place de l’approche de rhéologie systémique
2. Validation expérimentale de l’approche avec un fluide thermomécaniquement simple.
3. Confrontation entre les résultats de rhéologie systémique et ceux de la mécanique des fluides
numériques
4. Définition de grandeurs géométriques/physiques pour caractériser la performance d’extrudeuses bivis en tant que mélangeurs/réacteurs
5. Corrélation entre ces grandeurs et la qualité du mélange d’extrudeuses bi-vis pour des systèmes
polymères chargés en quantum dots.
Laboratory: laboratory of Reactions and Processing Engineering (LRGP), CNRS UMR 7274, ENSIC
– University of Lorraine, 1 rue Grandville, BP 20451, 54001 Nancy
Advisor: Guo-Hua HU, Full professor, [email protected]
Co-advisors: Cécile Lemaître, Assistant professor, [email protected]; Philippe Marchal,
CNRS Research Engineer, [email protected]; Sabdrine Hoppe, CNRS researcher,
[email protected]; Raphaël Schneider, Full professor,
[email protected]
Subject: Characterisation of twin screw extruders as mixers/reactors by a systemic rheological
approach
Abstract:
This proposal aims at characterizing the performance of twin screw extruders as mixers/reactors using
a systemic rheological approach. Twin screw extruders are often used to process materials and
products such as polymers, biomasses and food products owing to their ability to transport and mix
highly viscous systems. However it is still challenging to describe and predict flow and shear field in
twin screw extruders because of the coupling between complex geometry and rheological behavior of
the systems. Two types of approaches have been developed: one is to represent the extruder as a
combination of ideal reactors and the other describes the flow in space by numerical fluid mechanics.
The first one is simple with a low computational cost but it is less predictive whereas the second one
requires a very high computational const but is predictive.
Our laboratory is equipped with several types of twin screw extruders and develops intense research
activities on them. We would like to develop a intermediate approach which would be more predictive
than the first one while requiring less computational efforts than the second one. This so-called
systematic rheological approach lies in representing the extruder by a series of sub-geometries whose
flows can be described analytically or numerically sufficiently simple. This approach has proven its
pertinence for batch continuously stirred tank reactors (virtual Couette) and is being extended to static
mixers (virtual Poiseuille). An extruder can be viewed as something in between flow and mixing. We
will develop an approach of type virtual Archimede screw which can be considered as a combination
of a virtual Couette and a virtual Poiseuille.
This proposal will emphasize on the following 5 main tasks:
1. Development of the so-called systemic rheological approach
2. Experimental validation of the approach using a thermomechanically simple fluid
3. Comparison between the results of the systemic approach and those of the numerical fluid
mechanics
4. Definition of physical and/or geometrical parameters for characterizing the performance of twin
screw extruders as mixers/reactors.
5. Establishment of relationships between physical/geometrical parameters and the quality of mixing
for polymer systems filled with quantum dots.
Sélection d’articles de l’encadrant et de co-encadrants ayant un lien étroit avec le sujet
proposé (34 articles à comité de lecture pour l’encadrant entre 2010 et 2012)
1. A Ait-Kadi, P. Marchal, L. Chopli, AS Chrissemant, M. Bousmina, Quantitative analysis of mixertype rheometers using the Couette analogy, Canadian Journal of Chemical Engineering, 80, 11661174, 2002.
2. C.-L. Zhang, L.-F. Feng, S. Hoppe, G. –H. Hu, Residence time distribution: an old concept in
chemical engineering and a new application in polymer processing, AIChE Journal, 55, 279-283,
2009.
3. Xian-Ming Zhang, Lian-Fang Feng, Wen-Xing Chen, Guo-Hua Hu, Numerical simulation and
experimental validation of mixing performance of kneading discs in a twin screw extruder, Polymer
Engineering and Science, 47, 1971-1980, 2009.
4. Christian Penu, Guo-Hua Hu, Christian Fonteix, Philippe Marchal, Lionel Choplin, Lian-Fang Feng,
“Effects of carbon nanotubes and their state of dispersion on the anionic polymerization of
caprolactam: II. Rheology”, Polymer Engineering and Science, 51, 1116-1121, 2012.
5. C.-L.Zhang, L.-F. Feng, S. Hoppe, G.-H.Hu, “Compatibilizer-tracer: A powerful concept for polymerblending processes”, AIChE Journal, 58, 1921-1928, 2012.
6. Alibenyahia, C. Lemaître, C. Nouar, N. Ait-Messaoudene, Revisiting the stability of circular Couette
flow of shear-thinning fluids, Journal of Non-Newtonian fluid mechanics, 183, 37-51, 2012.
7. M. Geszke-Moritz, G. Clavier, J. Lulek, R. Schneider, Copper- or manganese-doped ZnS quantum
dots as fluorescent probes for detecting folic acid in aqueous media, Journal of Luminescence, 132,
987-991, 2012.