Identification and study of boehmite paste kneading descriptors for the design of new solids
Identification et étude de descripteurs du malaxage d’une pâte de boehmite pour la conception de nouveaux solides
Résumé
Controlling the mechanical and textural properties of heterogeneous catalyst supports is essential for the design of innovative and efficient catalytic materials. In particular, the porous microstructure of the support strongly affects mass transport and mechanical strength. Industrially, alumina supports are manufactured using a knead-extrusion process, which aims to go from an alumina precursor powder (boehmite) to micrometric objects (the final size of the support). This process also enables the mechanical and textural properties of the substrate to be optimized by adjusting the operating conditions for each of the unit operations. The aim of this thesis is to characterize the influence of mixing on the properties of boehmite pastes. In particular, the effects of mixing speed and duration, as well as paste composition, are quantified on the mechanical and textural properties of boehmite pastes. This experimental study, carried out on a pilot mixer, identified two parameters controlling the properties analyzed: paste pH and cumulative deformation, equivalent to the number of revolutions applied during kneading. Then, a discrete-element model of boehmite pastes was developed to represent their microstructure (difficult to characterize experimentally) and simulate their mechanical behavior. In this model, pastes are represented as stacks of polydisperse hard spheres, and mechanical properties depend on numerical elastic and viscous parameters. The latter, like the size of the spheres, have been iteratively adjusted to reproduce experimental characterizations as closely as possible.
Le contrôle des propriétés mécaniques et texturales des supports de catalyseurs hétérogènes est essentiel pour la conception de matériaux catalytiques innovants et efficaces. En particulier, la microstructure poreuse du support affecte fortement le transport de masse et la résistance mécanique. Industriellement, la fabrication de supports en alumine peut être mise en œuvre par un procédé de malaxage-extrusion, qui vise à passer d’une poudre de précurseur aluminique (la boehmite) à des objets micrométriques (taille finale du support). Ce procédé permet également d'optimiser les propriétés mécaniques et texturales du support en jouant sur les conditions opératoires de chacune des opérations unitaires. Le but de cette thèse est d’abord de caractériser l’influence du malaxage sur les propriétés des pâtes de boehmite. En particulier, les effets de la vitesse et de la durée de malaxage, ainsi que celui de la composition des pâtes, sont quantifiés sur leurs propriétés mécaniques et texturales des pâtes de boehmite. Cette étude expérimentale, réalisée sur un malaxeur pilote, a permis d’identifier deux paramètres de contrôle des propriétés analysées : le pH des pâtes et la déformation cumulée, équivalente au nombre de tours appliqués pendant le malaxage. Ensuite, une modélisation des pâtes de boehmite a été élaborée grâce à une méthode par éléments discrets, afin de représenter leur microstructure (difficile à caractériser expérimentalement) et de simuler leur comportement mécanique. Dans ce modèle, les pâtes sont représentées comme des empilements de sphères dures polydisperses, et les propriétés mécaniques dépendent de paramètres numériques élastiques et visqueux. Ces derniers, tout comme la taille des sphères, ont été ajustés itérativement pour reproduire au mieux les caractérisations expérimentales.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
---|