Soutenance de thèse en sciences et génie des matériaux lignocellulosiques

Le blogue d’information En Tête présente le résumé de la thèse de doctorat en sciences et génie des matériaux lignocellulosiques  de M. Rachid Akdim, intitulée «Théorie de génie du procédé de raffinage, approche physique et application industrielle».

Rachid Akdim, étudiant. (Photo : Flageol)

Le procédé de raffinage consiste en l’application des contraintes mécaniques sur les fibres cellulosiques. Il représente une étape fondamentale qui permet de développer le potentiel de liaison des fibres cellulosiques pour les préparer selon les propriétés requises du papier final, des recherches sur ce procédé ont été entamées depuis le début du siècle précédent, pourtant le raffineur est toujours considéré comme une boite noire puisque les connaissances dans ce procédé reste toujours faibles.

En dépit de ces nombreux travaux de recherche, le raffinage reste toujours un domaine mal compris et non parfaitement contrôlé. De ce fait, le meilleur résultat du traitement est rarement atteint. La majorité des travaux se basent sur la caractérisation des effets morphologiques des fibres et les propriétés physiques du papier, alors que le génie du procédé de raffinage reste encore obscur.

Le prix de l’électricité est devenu un facteur dominant dans l’économie de la production et continuera sans doute d’augmenter, le raffinage mécanique est un procédé qui est un très grand consommateur de l’énergie électrique et une minimisation de10% pourra économiser annuellement 50 millions de dollars pour les industriels, il est donc primordial d’optimiser cette énergie soit par une nouvelle technologie appliquée au raffineur et sans investissement majeur ou par addition de produits chimiques qui diminuent l’énergie nécessaire pour le traitement des fibres.

Il existe plusieurs suggestions de modifications relativement importantes dans la conception des modèles des plaques de raffineur sauf que la connaissance des mécanismes qui se déroulent dans l’entrefer des raffineurs est toujours insuffisante, ce qui provoque des doutes sur la validité des suggestions proposées. Ce manque d’informations ne peut s’éclaircir que par une amélioration de la compréhension concernant ce qui se produit dans la zone de raffinage en quantifiant l’intensité d’impact, les forces mise en jeu dans cette zone et le temps de leur application sur les amas des fibres, ceci ne peut se faire que par l’introduction des phénomènes de chocs et de percussions que nous devons étudier sur un intervalle de temps, nommée temps de percussion, que nous avons pu calculer et qui est de l’ordre d’une fraction de millionième de seconde.

Notre objectif est d’étudier manière phénoménologique le procédé de raffinage, afin de le quantifier par une équation différentielle qui permettra de pousser plus loin les connaissances dans le domaine de raffinage, sur le niveau micro échelle de la fibre et sur la caractérisation des effets morphologiques des fibres et les propriétés physiques du papier. À partir de cette étude phénoménologique de nouvelles techniques de contrôle de procédé de raffinage seront mise en oeuvre, ainsi que de nouvelles applications industrielles pourront être réalisées dans le futur par le raffineur citons par exemple, sa nouvelle fonction qui réside dans la mesure de la viscosité dynamique d`un fluide sur une large bande de viscosité dynamique à l’encontre des viscosimètres industriels connus sur le marché actuel.

Méthodologie

Apporter de nouveaux éléments d’investigations théoriques décrivant le choc qui se produit entre les amas des fibres et les lames du rotor et du stator afin de quantifier ce choc en introduisant des grandeurs physiques adéquates, à savoir le moment d’inertie des lames du rotor responsable du choc et la grandeur physique de la viscosité dynamique de la suspension fibreuse pour enfin aboutir à une équation différentielle qui contient les paramètres fondamentaux qui régissent ce procédé, des mesures expérimentales permettront aisément de vérifier la validité de ce nouveau modèle. L’étude expérimentale de l’équation différentielle que nous avons mis en œuvre, nécessite des essaies spécifiques de raffinage et en grand nombre afin de générer une base complète de données et selon des objectives souhaités.

Parmi les paramètres caractéristiques de cette équation différentielle que nous avons pu étudier et mesurer expérimentalement, on cite le temps de percussion, qu’on a étudié expérimentalement suivant la caractérisation des effets morphologiques des fibres et les propriétés physiques du papier.

Nous pouvons à présent étudier rigoureusement et expérimentalement, grâce à la notion du moment d’inertie; l’effet de la longueur de la lame, l’angle de taillage et de sectorisation et aussi la position radiale de la lame dans le raffineur pour enfin aboutir à une meilleure conception des raffineurs à haut rendement, qui permettront une meilleure optimisation de la consommation électrique sous la contrainte de la qualité des fibres et des papiers souhaités. Nous avons montré que le paramètre du moment d’inertie pourra détecter une éventuelle déformation des lames du raffineur par une analyse des tests expérimentaux plus spécifiques.

Applications potentielles et retombées industrielles

Ce niveau de connaissances et de concept, introduits lors de ma thèse est assez suffisant pour résoudre des problèmes rencontrés dans l’industrie, plus particulièrement ils offrent les outils nécessaires pour concevoir les futurs raffineurs à haute performance.

Un meilleur contrôle du procédé de raffinage exige la mesure instantanée, pendant l’opération de raffinage, de la viscosité dynamique des fibres, du temps de percussion ainsi que du temps de résidence et l’intensité de raffinage, ces grandeurs sont mesurables en temps réel lors du procédé de raffinage à l’aide d’une programmation de notre équation différentielle en concevant des logiciels de calcules spécialement pour ces grandeurs physiques, des mesures expérimentales bien spécifiques sur des raffineurs industriel, permettront aisément de valider cette technique à l’échelle industriel, et avec une étude supplémentaire d’optimisation on pourra obtenir une meilleur économie de l’énergie électrique.

Enfin, cette équation différentielle est applicable pour des types spécifiques des pompes centrifuge, des compresseurs et des turbines, ce qui permettra d’introduire de nouveaux connaissances et de percept pour le fonctionnement de ces appareilles tant utilisé dans l’industrie.

De gauche à droite : Alain Chalifour, Ph. D., UQTR, Sylvain Robert, Ph. D., UQTR, Bruno Chabot, Ph. D., UQTR, Rachid Akdim, étudiant, Roger Gaudreault, Ph. D., Cascades Canada ULC. (Photo : Flageol)

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Thèse de doctorat en sciences et génie des matériaux lignocellulosiques soutenue le 14 février 2014

M. Sylvain Robert, Ph. D., directeur de recherche
Professeur
Université du Québec à Trois-Rivières

M. Robert Lanouette, Ph. D., codirecteur de recherche
Professeur
Université du Québec à Trois-Rivières

M. Alain Chalifour, Ph. D., président du jury
Professeur
Université du Québec à Trois-Rivières

M. Bruno Chabot, Ph. D., évaluateur
Professeur
Université du Québec à Trois-Rivières

M. Roger Gaudreault, Ph. D., évaluateur externe
Directeur corporatif
Cascades Canada ULC