The behavior of mineral materials during drying : experimental study and modeling

L’objectif de ce travail est l’étude du comportement des matériaux minéraux de grande diffusion lors du séchage convectif : étude expérimentale et modélisation. Une première étape a été consacrée à la caractérisation (physico-chimique et comportement en température) des matières premières de deux composés argileux tunisiens (AX et AR), d’un mélange argileux par porcelaine (BC) et de deux composés innovants commercialisés par la société BIBLIONTEK : un mélange argileux (MG) et un composite argilo-cellulosique (CA). La mesure des propriétés d’équilibre thermodynamique, des propriétés de transfert et des propriétés mécaniques a été effectuée, dans un second temps, afin de comprendre le comportement hydro-thermo-mécanique de ces matériaux. Les cinétiques de séchage expérimentales ont été ensuite établies pour le mélange argileux (MG) et le composite argilo-cellulosique (CA) sous forme de monocouche d’échantillons ou en échantillon individuel, à différentes températures sèches, humidités relatives et vitesses de l’air. Ces cinétiques ont servi à valider les deux modèles développés. Le premier modèle hydro-thermo-mécanique 2D d’un produit déformable saturé d’eau lors du séchage convectif a été appliqué à un échantillon du mélange argileux (MG). Partant de la validation de ce modèle, les distributions spatio-temporelles de la teneur en eau, de la température et de la contrainte mécanique ont été simulées et interprétées en termes d’endommagement potentiel du produit. Un deuxième modèle hydro-thermique spécifique à un produit capillaro-poreux non saturé et hygroscopique a été aussi établi. Le modèle est appliqué au composite argilo-cellulosique. L’endommagement mécanique du produit, qui est conditionné par la surpression interne de la phase gazeuse, a été évalué en cours du procédé. Les résultats de ces travaux de recherche pourront être exploités à moyen termes dans l’industrie, afin de réduire le coût énergétique du séchage et de contrôler la qualité du produit fini.The aim of this work is to study behavior of low cost mineral materials during convective drying: experiment and theoretical modeling. A first part is devoted to the physical and chemical characterization of materials. These are two Tunisian clays (AX and AR), a porcelain clay mixture (BC) and two clay mixtures (MG and CA) commercialized by the company BIBLIONTEK, one of which is a composite of clay and cellulose fibers (CA). Measurements of thermodynamic equilibrium, transfer proprieties and the mechanical proprieties were then made in order to understand the continued hydric, thermal and mechanical behavior of the materials. Experimental characterization of the drying kinetics for the MG and CA clay mixtures (MG and CA) was made on single layer samples or individual samples at different dry temperatures, relative humidities and air speeds. These kinetics were used to validate two theoretical models. The first is two dimensions of a deformable material saturated in water during convective drying was applied to the case of MG clay mixture. The spatial distributions of water content in the material, temperature and mechanical stress were simulated as a function of time and interpreted in terms of possible damage to the material. A second model, specific to a hygroscopic material contuning non saturated capillary pore, was also established. The model was applied to the clay-cellulose fibers composite material (CA). The mechanical damage to the material, conditioned by internal pressure due to the gas phase, was evaluated during the drying process. The conclusions of this research can be exploited in on industrial context in order to reduce energy costs of drying and improve final product quality