Principe et théorie du fonctionnement de la presse à vis

Les détails des mécanismes de transport et de drainage qui contrôlent la déshydratation dans les presses à vis demeurent inconnus. Ceci se reflète par le manque de publications qui traitent de la déshydratation d’une suspension de pâte à papier dans une presse à vis. Les études faites sur différents matériaux ont montré que le comportement de chaque matière diffère au niveau de ses caractéristiques [11, 18,35,39-43]. Les caractéristiques importantes sont par exemple: la consistance, la taille et le gonflement des particules. Les propriétés de la suspension peuvent aussi affecter le processus; comme sa force de résistance au cisaillement et sa compressibilité. Les paramètres opératoires de la presse affecteront aussi le comportement des matériaux traités en contact avec la vis. Le principe détaillé ci-après concerne le pressage d’une pâte à papier dans une presse à vis. Il peut être généralisé pour d’autres types de matériaux à condition d’évaluer les propriétés de chaque matériau que l’on veut déshydrater puisque les propriétés des matières à traiter sont en relation directe avec l’effet de cisaillement.

La presse à vis (Figure 2.1) a une conception plutôt simple, avec seulement une partie fixe (la grille) et une partie tournante (la vis). Le matériel à épaissir entre dans la presse, il est tout d’abord filtré sur la grille perforée, ce qui conduit à la formation d’un réseau de fibres, un matelas, qui remplit le canal de la vis. Le réseau de fibres est transporté par la suite avec une vitesse plus au moins uniforme à travers la conduite vers la sortie de décharge, avec une augmentation de pression suffisante pour atteindre un taux de déshydratation adapté. La siccité finale est conditionnée par la capacité de la pâte à subir des contraintes mécaniques, plus particulièrement sous la forme de taux de cisaillement. Il est évident que chaque type de matière à presser a un comportement propre et singulier en réponse à ces contraintes. Dans notre cas, nous allons travailler sur la pâte à papier qui est une matière fibreuse avec un fort taux de cisaillement. L’écoulement dans la presse à vis est difficile à visualiser. Le résultat de modélisation sera le même si la vis est fixe et la cuve est en rotation dans la direction opposée de la vis à l’état normal. Par conséquent, la vis est souvent utilisée comme référence durant l’analyse de l’écoulement des presses à vis [44-46]. La figure 2.3 représente ce principe. L’autre simplification sera de présumer que le passage hélicoïdal à l’intérieur de la presse à vis peut-être déroulée, et reste linéaire. Il faut cependant noter que cette simplification ne tient pas compte du fait que la vis nettoie la surface de la grille à chaque rotation.

Durant l’opération de pressage à vis, la pâte dans le canal fera l’objet de plusieurs forces. Les forces créées par la vis en rotation engendrent le mouvement de la suspension épaissie vers la grille. Les forces sont balancées avec les forces de friction établies entre la pâte et les parois du canal aussi bien qu’avec la grille perforée, comme représentées sur la figure 2.5. La rotation de la cuve à une vitesse U exerce une trainée sur la matière à déshydrater à l’intérieur de la presse. L’écoulement de la matière à déshydrater est donc causé par ces forces de pression. Le glissement et le cisaillement dépendent des caractéristiques de la matière, du niveau de pression dans le canal, aussi bien que du profil de pression. La pression à chaque point du canal est créée par un équilibre complexe entre la pression à l’entrée et la pression à la sortie, la trainée appliquée sur la matière dans le canal, la résistance au drainage de la suspension, la perméabilité et la compression de la suspension épaissie. Le processus de pressage dans les presses à vis n’a pas fait l’objet d’études analytiques complètes avec traitement de l’enlèvement de l’eau des suspensions de particules, ou plus précisément sur la déshydratation des pâtes à papier. Les études déjà faites se sont focalisées sur l’extraction des huiles ou la déshydratation des boues. Les études faites par Shirato et coll. [12, 13,47,48] peuvent être considérées comme la description analytique la plus complète traitant le fonctionnement et les mécanismes à l’intérieur d’une presse à vis. Toutefois, plusieurs études sont basées sur des suspensions d’argile. Les résultats ont montré une augmentation de la concentration de 30-45 % à 50-70 %.

Les mécanismes et théories de la filtration

Les mécanismes de la déshydratation à l’intérieur du canal de la vis hélicoïdale sont assez complexes malgré l’apparence simple du design des presses à vis. La déshydratation à travers la grille se produit le long du canal hélicoïdal où la suspension est transportée axialement à l’arbre de la presse. L’étude la plus complète sur les mécanismes de l’enlèvement dans une presse à vis a été faite par Shirato et coll. [12, 13]. Il a divisé le processus en deux étapes, une filtration initiale suivie d’une consolidation. Dans la première étape, un gâteau filtré se forme graduellement en avançant à l’ intérieur du canal vers un point de transition (T), où il remplit toute la section de passage du canal. C’est depuis ce point que le compactage de la suspension commence (Figure 2.6). Le positionnement exact du point de transition dépend des caractéristiques de drainage de la suspension et des conditions opératoires. Dans leur modélisation du processus de déshydratation, Shirato et coll. [12, 13] ont considéré la zone de filtration comme une série de filtrations discontinues, avec une augmentation graduelle de la pression et de la consistance de la suspension, de la zone de filtration vers le point de transition (Figure 2.6).

À partir de ce point, ils supposent une augmentation continue de la pression de consolidation, suffisante pour réduire le volume de la suspension. Le même principe était adopté récemment par Eaves et coll. [19]. Alors, la déshydratation se fait par deux mécanismes qui provoquent l’enlèvement de l’eau de la suspension de la pâte à papier. Premièrement, la suspension en écoulement non agglomérant à l’entrée de la presse à vis subit une filtration à pression constante, produisant une augmentation de la concentration de la suspension. Deuxièmement, l’augmentation de la concentration engendre une compaction de la pâte à papier dans le canal de la vis permettant la déshydratation par consolidation. La suspension en écoulement non agglomérant transmet une pression hydraulique et une compression mécanique au réseau de fibres compactées au « bouchon ». En fait, la siccité est obtenue par le compactage de la pâte convoyée et égouttée par le système vis/grille sur un bouchon de pâte créé à l’extrémité de la vis, par l’ interruption du filet. L’eau s’égoutte progressivement tout au long de la grille de filtration, puis est compressée à l’arrivée au bouchon : c’est la phase de déshydratation proprement dite. Les études ont montré que le drainage par filtration est le mécanisme dominant dans la première partie de la presse à vis. Donc, pour établir la relation entre les variables d’entrée et les variables de sortie de la presse à vis, il est utile d’examiner la littérature sur le drainage par filtration. Seifert [39] a tenté d’ élaborer des équations qui simplifient l’exploitation de la presse à vis. Lors de l’élaboration des équations, Seifert a proposé les hypothèses suivantes:

Effet de l’indice d’égouttage sur la RSF

L’indice d’égouttage est mesuré pour décrire les caractéristiques de drainage d’une suspension. Des indices d’égouttage élevés reflètent une suspension à haut drainage. Les pâtes raffinées possèdent un indice d’égouttage plus bas qu’une pâte non raffinée [62]. Les caractéristiques de drainage et la floculation [21] d’une suspension de fibres sont importantes dans le processus de mise en pâte. Elles sont étroitement corrélées avec les propriétés des fibres, telles que: la flexibilité des fibres, la fibrillation des fibres et la quantité de fines dans la suspension. En plus, ces propriétés ont un grand impact sur les caractéristiques les plus importantes du papier, comme la rigidité, la blancheur du papier, l’opacité, la porosité, la rugosité, etc. Les caractéristiques de drainage ont bien évidemment un grand impact sur les opérations de mise en pâte et les machines d’enlèvement de l’eau (filtres, presses, etc.). Lors du raffinage, en plus de réduire l’indice d’égouttage, les fibres subissent plusieurs changements, tels que l’augmentation de leurs flexibilités, une fibrillation sur la couche externe et la production de fines [63]. Deux tests de drainage sont les plus utilisés dans l’ industrie des pâtes à papier; l’indice d’égouttage canadien standard (CSF) et les tests de Shopper Riegler (SR). Les pâtes à évaluer dans les tests SR et CSF sont diluées à de très faibles concentrations (3 et 2 g/L) et 1 litre de la suspension est placé pour se drainer par effet de gravité dans des instruments standardisés.

Les designs des instruments de CSF et SR sont légèrement différents au niveau de la pression de drainage et de la géométrie de l’appareil de mesure. Le CSF est la méthode utilisée dans notre cas. Swodzinski et coll. [64] ont essayé de développer un modèle reliant SR et CSF, comme montré sur la figure 2.8. Le drainage d’une suspension sous pression constante est un processus bien établi et bien décrit. Un matelas fibreux épaissi d’une concentration Cw (kg solide/m3 suspension) se forme après drainage du liquide de la suspension. Comme l’eau draine et que le matelas de fibres se forme, l’eau en écoulement à travers les pores exerce une force sur le matelas de fibres. Si le matelas de fibres est compressible, le volume de vide est réduit et la résistance à l’écoulement augmente. En outre, les suspensions de fibres sont très hétérogènes quant à la distribution de la taille de particules et les fines en plus de constituants non fibreux comme l’ argile et l’encre tendent à migrer vers les couches inférieures du réseau sous l’influence de la trainée de fluide. Ingmanson et coll. [53, 55, 23 56] ainsi que Brewster et coll. [45] ont déterminé une relation non linéaire entre RSF et CSF pour différentes pâtes (Figure 2.9).