Amélioration et réalisation d’appareils prototypes de laboratoire pour l’étude de la sédimentation en milieu dense

Généralités sur le traitement de minerais

Le traitement des minerais peut être considéré comme l’ensemble des procédés et des techniques de préparation, de séparation et d’épuration des substances minérales ou des éléments chimiques de valeur, à partir d’une matière brute, en vue d’obtenir un concentré utilisé à l’échelle industrielle. Le traitement de minerai est aussi connu sous le nom de valorisation des minerais. Il repose sur une loi générale qui met en évidence le mouvement d’un corps solide dans un fluide :
Lois générales de mouvement d’un corps solide dans un fluide : La sédimentation gravimétrique est un mode de classement des particules solides mettant en œuvre la différence qui existe entre les masses volumiques des minéraux de valeur d’une part et des gangues d’autre part.
La faisabilité d’une sédimentation gravimétrique dépend d’un critère appelé : «critère de TAGGART» ou «raison de sédimentation». C’est le rapport entre les diamètres de 2 particules équivalentes.

Les types de sédimentation gravimétrique

On peut classer la sédimentation gravimétrique en trois (3) catégories : la sédimentation gravimétrique par jiggage. La sédimentation gravimétrique par nappe pelliculaire. La sédimentation gravimétrique en milieu dense.
Nous présenterons très brièvement ci-après les détails sur ces types de sédimentations gravimétriques pour avoir une idée de leur différence spécifique.

La sédimentation gravimétrique par jiggage

Il consiste à soumettre, pendant des cycles très brefs, les particules minérales à des courants d’eau ascendants grâce à des pulsations alternées de l’ordre de 60 à 330 pulsations par minute que l’on peut obtenir par mouvement alternatif d’un crible plongé dans le fluide. La séparation des grains lourds et légers s’opère en trois phases par l’action combinée des courants ascendants et descendants :
Phase 1 : Accélération différentielle Dans le phénomène de la sédimentation, avant d’atteindre leur vitesse limite, les grains acquièrent une accélération ne dépendant que de leur densité, à condition que le temps de chute soit bref.
Phase 2 : Sédimentation gênée Le courant ascendant de liquide permet de réaliser un rapport de sédimentation élevé et d’augmenter le Critère de Taggart.
Phase 3 : Tassement Lorsque les particules sont soumises à un courant ascendant, elles subissent un phénomène de succion et elles se resserrent. Seules les particules de tailles réduites peuvent continuer à sédimenter.
En conséquence, l’accélération différentielle et la sédimentation gênée concourent à placer les particules lourdes et grossières à base d’un lit de particules soumis à une alternance de pulsations. Dans la partie médiane on trouve des grains grossiers peu denses et des grains fins denses. Ces derniers, lors du phénomène de tassement, rejoignent les grains lourds et grossiers situés à la base du lit

La sédimentation gravimétrique par nappe pelliculaire

La séparation gravimétrique par nappe pelliculaire fluante met en jeu l’écoulement d’une nappe d’eau de faible épaisseur, de quelques millimètres à quelques centimètres, sur un plan incliné. Les particules se séparent en plusieurs catégories densimétriques, en fonction de leur vitesse de chute et de leur résistance au mouvement.
Principe : La séparation gravimétrique par nappe pelliculaire fluante est basée sur la longueur du parcours effectuée par une particule sur un plan incliné, à la surface duquel s’écoule, par gravité un film liquide. La poussée exercée par le liquide est proportionnelle à la section de la particule perpendiculaire au mouvement. La taille de la particule, sa densité, sa forme interviennent dans le déplacement au même titre que la pente et la rugosité de la surface, l’épaisseur et la vitesse d’écoulement du film d’eau.
Technique de séparation : Les particules se déposent suivant leur position la plus stable, offrant une section transverse minimale au courant du liquide, et une résistance maximale à des mouvements qui tendraient à les retourner.
Ainsi dans un mélange de particules de même densité, soumis à l’action de l’écoulement d’un film d’eau, les particules plates s’arrêtent les premières, les particules cubiques vont plus loin avec les particules rondes.
Ce caractère est d’autant plus affirmé que le plan incliné offre une surface rugueuse qui augmente le coefficient de friction dynamique entre la surface et les particules.

Principe de la sédimentation en milieu dense et les paramètres mis en jeu

Ce mode de traitement est voisin à celui de la flottation. Les produits obtenus sont les flottants et les plongeants. La liqueur dense utilisée est le médium.
Les solides utilisés sont plongés dans un fluide dont la masse volumique est comprise entre celle du concentré et celui de la gangue, ou autrement dit entre les produits lourds et les produits légers. Après quelques minutes, les produits ayant une densité inférieure à celle du médium flottent (flottants), et les produits de densité supérieure descendent jusqu’au fond (plongeant), et enfin les produits de densité égale au médium restent en suspension.
Remarque : Dans la classification par emploi de liqueur dense, la séparation a lieu suivant la poussée d’Archimède.

Batteries de 6 entonnoirs

Description et schéma : L’appareil comprend : 3 paires d’entonnoirs communiquant entre eux par l’intermédiaire d’un robinet, un bécher collecteur par paire d’entonnoirs, le tout se reposant sur un support en boiserie.
Le support aura l’aspect d’une cuisinière mais confectionné en bois : la face est vitrée permettant l’observation, le dessus ouvrant permet l’alimentation du mélange, la partie inférieure comprend deux étagères munies d’orifices adaptés aux dimensions des entonnoirs.
Fonctionnement : Chaque dispositif d’entonnoirs est composé de trois éléments disposés l’un sur l’autre en formant trois niveaux A, B et C avec fermeture par tuyau pincé entre les entonnoirs : A : correspond au niveau supérieur où se fait la décantation et la récupération des légers, terminé par un système d’évacuation pincé (robinet).
B : correspond au niveau médian où l’on récupère les fractions minérales dans un papier filtre posé au fond de l’entonnoir.
C : correspond au récipient inférieur où s’effectue la récupération de la liqueur utilisée. Le système marche comme suit : Le niveau supérieur sert en même temps à l’alimentation et au mixage du mélange minerai-médium. (Entonnoir niveau A).
Le remplissage de la liqueur dense se fait environ le 4/5 du volume de l’entonnoir, puis le minerai à séparer. L’ensemble est agité par l’intermédiaire d’agitateur en verre. On laisse décanter pendant quelques minutes. Les légers sont récupérés à la surface du mélange. Ouvrir le robinet pour le passage au niveau inférieur « lourds-liqueur » . L’entonnoir du niveau B est équipé de papier filtre pour la récupération des lourds. Récupérer les lourds au niveau B. Récupérer la liqueur dense dans le bécher. La liqueur dense peut être encore réutilisée pour une deuxième décantation et ainsi de suite.

Appareil de laboratoire de séparation densimétrique a 4 niveaux

Description et schéma : L’appareil est muni de trois entonnoirs et de deux réservoirs collecteurs formant 4 niveaux E1, R1, E3 et R2. Le tout se communique entre eux par l’intermédiaire de tuyau flexible et est fixé sur un panneau en bois.
Fonctionnement : Le système de mise en œuvre est le suivant : L’entonnoir de niveau supérieur E1 servant en même temps d’alimentation et de mixage du mélange minerai et liqueur dense. Un réservoir collecteur R1 servant de collecteur, reçoit le mélange ainsi préparé et la séparation s’effectue. Une ouverture latérale permet d’évacuer les légers qui seront déversés en flottants et en plongeants dans l’entonnoir E3 situé au niveau inférieur relié au précédent par un tuyau en verre ou en plastique.
D’autre part, R1 est munie dans sa partie inférieure d’un robinet qui laissera passer le mélange «liqueur-lourds» dans l’entonnoir E2 immédiatement au-dessous.
Les entonnoirs E2 et E3 sont tous deux munis de filtres permettant de récupérer, les lourds pour E2 en provenance de R1 et les légers flottants pour E3.
La liqueur dense provenant de la filtration de E2 et E3 est connectée par un ensemble de conduite en verre démontable ou confectionné en flexible plus résistant et sera déversée dans un bassin réservoir R2.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : ETUDES THEORIQUES ET RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE I : RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES SUR LA SEDIMENTATION
I.1. GENERALITES SUR LE TRAITEMENT DES MINERAIS
I.1.1. Définition
I.1.1.1. Lois générale de mouvement d’un corps solide dans un fluide
I.1.1.2. Critère de Taggart
I.1.1.3. Vitesse de sédimentation
I.1.2. Les types de sédimentation gravimétriques
I.1.2.1. La sédimentation par jiggage
I.1.2.2. La sédimentation gravimétrique par nappe pelliculaire
I.1.2.3. La sédimentation gravimétrique en milieu dense
I.2. LA SEDIMENTATION EN MILIEU DENSE
I.2.1. Définition de la densité
I.2.2. Principe de la sédimentation en milieu dense et les paramètres mis en jeu
I.2.2.1. Etude sur le fluide de sédimentation
I.2.2.2. Préparation du minerai et du médium
I.2.2.3. Séparation des produits en « flottants » et « plongeants »
CHAPITRE II : RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES SUR LES APPAREILS DEJA ETUDIES
II.1. BATTERIES DE 6 ENTONNOIRS
II.1.1. Description et schémas
II.1.2. Fonctionnement
II.2.APPAREIL DE LABORATOIRE DE SEPARATION DENSIMETRIQUE A 4 NIVEAUX
II.2.1. Description et schémas
II.2.2. Fonctionnement
CONCLUSION
DEUXIEME PARTIE : CONCEPTION – AMELIORATION ET REALISATION DES APPARELS DE LABORATOIRE
INTRODUCTION
CHAPITRE I : LES MODIFICATIONS ET AMELIORATIONS APPORTEES POUR CHAQUE APPAREIL
I.1. LA BATTERIE DE 6 ENTONNOIRS
I.2. APPAREIL DE LABORATOIRE DE SEPARATION DENSIMETRIQUE A 4 NIVEAUX
CHAPITRE II : CONCEPTION ET REALISATION DE L’ARMOIRE A 2 NIVEAUX D’ENTONNOIRS
II.1. PRESENTATION DU DISPOSITIF D’ENTONNOIRS
II.1.1. Propriétés des verres
II.1.1.1. Propriétés chimiques
II.1.1.2. Propriétés physiques
II.1.1.3. Propriétés thermoplastiques
II.1.2. Entretien et maintenance
II.1.3. Le support des entonnoirs
II.2. DESSINS TECHNIQUES ET PHOTOS
II.2.1. Dessins techniques
II.2.2. Photos
II.3. LES CRITIQUES : POINTS FAIBLES ET POINTS FORTS
CHAPITRE III : CONCEPTION ET REALISATION DU DISPOSITIF D’ENTONNOIRS A 3 NIVEAUX AVEC SYSTEME DE COMMANDE AUTOMATIQUE
III.1. GENERALITES SUR LE SYSTEME DE COMMANDE AUTOMATIQUE
III.1.1. Rappel
III.1.1.1. Les organes de commande
III.1.1.2. Organes de liaison
III.1.1.3. Organes d’exécution
III.1.2. Classification des machines automatiques
III.1.2.1. Machine à chaîne ouverte
III.1.2.2. Machine à chaîne fermée
III.1.3. Exemple d’application
III.2. CARACTERISTIQUES DES ORGANES ET LEUR FONCTION
III.2.1. Les organes de commande
III.2.1.1. Fonctions
III.2.1.2. Classification
III.2.1.3. Les différents types de commande
III.2.2. Organes de liaison
III.2.2.1. Fonctions
III.2.2.2. Classifications
III.2.3. Les organes de travail
III.2.3.1. Fonctions
III.2.3.2. Classifications
III.2.3.3. Les différents types d’organe de travail
III.3. CHOIX DES ORGANES ADAPTES AU DISPOSITIF GENERAL
III.3.1. L’organe de commande
III.3.1.1. Composition d’un circuit TIMER
III.3.1.2. Montage du circuit TIMER
III.3.1.3. Fonctionnement du circuit TIMER
III.3.1.4. Essais expérimentaux de vérification de la constante du temps
III.3.2. Les organes de liaison
III.3.3. Les organes de travail
III.3.3.1. Fonctionnement d’une électrovanne
III.3.3.2. Calcul de la force portante d’un électroaimant
III.4. CARACTERISTIQUES DU PROGRAMMATEUR ET MODE OPERATOIRE
III.5. PRESENTATION DU DISPOSITIF GENERAL
III.5.1. Le support
III.5.2. Les entonnoirs et béchers
III.5.3. Le relais et commutateur
III.5.4. Dessins techniques du dispositif général
III.6. FONCTIONNEMENT DU DISPOSITIF GENERAL ETUDIE
CHAPITRE IV : MISE EN EQUATION DU FONCTIONNEMENT DE L’APPAREIL AUTOMATIQUE
IV.1. Algèbre de BOOLE
IV.2. LE GRAFCET
IV.2.1. Grafcet niveau 1 du circuit
IV.2.2. Grafcet niveau 2 du circuit
IV.3. MISE EN ÉQUATION DU FONCTIONNEMENT DE L’APPAREIL
IV.3.1. Schéma électrique
IV.3.1. Diagramme des phases
IV.3.2. Mise en équation
IV.3.3. Tableau des états stables
CHAPITRE V : ESSAIS EXPERIMENTAUX
V.1. OBJECTIF
V.2. ESSAI I
V.2.1. Résultats obtenus
V.2.1. Interprétation
V.3. ESSAI II
V.3.1. Résultats obtenus
V.3.2. Interprétation
V.4. ESSAI III
V.4.1. Mode opératoire
V.4.2. Résultats obtenus
V.4.3. Interprétation
V.5. ESSAI IV
V.5.1. Mode opératoire
V.5.2. Résultats obtenus
V.5.3. Interprétation
CHAPITRE VI : LES CRITIQUES
CHAPITRE VII : COUT DE FABRICATION
VII.1. ARMOIRE A 2 ENTONNOIRS
VII.2. DISPOSITIF D’ENTONNOIRS A 4 NIVEAUX AVEC COMMANDE AUTOMATIQUE
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE