A detailed study of the evaporation of levitated copper droplets in presence of homogeneous condensation over a range of temperatures, from 1800 K to 2200 K, pressures, from 10 kPa to 101 kPa and inert gas flowrates, from 0.07 * 10-4 m3 s-1 to 7.40 * 10 -4 m3 s-1, was undertaken. Several calibration techniques to measure the temperature of a 5 mm copper droplet using a two-color pyrometer are described. The levitated droplets required a short time to reach steady temperature with the result that the average measured loss of copper by evaporation was less than steady state evaporation rate by as much as 1 to 15%. The experimental data were adjusted accordingly. / The experiments found that the flux of evaporation at constant temperature, was directly proportional to the vapor pressure of copper. For all the levitation experiments in which a significant change in mass loss was observed, the surface area decreased linearly with time. / A new technique to calculate the droplet temperature was obtained based on the measurements of mass loss and evaporation time. The estimated temperature values were 5% higher than those obtained with the two-color pyrometer. / The mass transfer coefficient based on the evaporation data, varied from 0.10 m s-1 to 0.81 m s-1. The activation energy for copper evaporation was 299 kJ mol-1, similar to the latent heat of evaporation, 305 kJ mol-1. A new method to estimate the vapor pressure of copper was obtained. It was found that the flux of evaporation was inversely proportional to the total pressure. Since the diffusivity is inversely proportional to the pressure, the flux of evaporation close to the droplet-gas interface is mainly due to molecular diffusion. / Four models were evaluated to predict the flux of evaporation. The empirical correlation of the Sherwood number was employed to estimate the mass transfer coefficient and the predicted flux of evaporation. The combination of factors which best predicted the experimental flux of evaporation were the diffusion and natural convection. The predicted fluxes using the empirical correlation were always higher than the experimental values and they varied from 2% to 107%. The Turkdogan model predicted four times higher fluxes than the measured values. When the reference temperature was higher than room temperature, the amended model also yielded higher figures than the evaporation data. Considering that the homogeneous condensation does not influence the flux of evaporation, Elenbass' values were lower than the measured fluxes, but were more accurate than the models which take into account homogeneous condensation. / The main conclusion derived from the experimental data was the realization that the evaporation of copper follows a simple correlation and the cluster formation in the boundary layer has no influence on the flux of evaporation. (Abstract shortened by UMI.)

The technique of Positron Emission Particle Tracking (PEPT), developed at University of Birmingham in the late 1980s has become a powerful tool to track particles flowing in various industrial engineering applications. Hydrocyclones are extensively used in a widespread amount of applications for many industries, but are predominantly used in closed circuit grinding operations as classifiers in mineral processing. Many attempts have been made to capture the key relationships between hydrocyclone operating and geometrical variables in models, but hydrocyclone characterization is still heavily empirical and on a case-by-case basis. Due to their simplistic design, easy operation, low cost and maintenance, hydrocyclones have gained a widespread positive reputation for solid-liquid separations. Despite their wide use and long history in industry, the internal flow field of the hydrocyclone is complex in nature and remains a challenge to visualize under standard operating conditions. The work presented in this thesis project has looked at the feasibility and potential of PEPT to examine the flow in hydrocyclones. This study presents views of the real-time particle motion within small diameter hydrocyclones by PEPT. There is a need to develop a visualization method by which the velocity distributions can be quantified under realistic industrial conditions. Therefore, this thesis project will give an overview on current hydrocyclone flow field theory, and presents the experimental results of particle flow visualization inside two inch standard and stub hydrocyclones using PEPT under water and water-silica conditions. / La technique de localisation des particules par l'émission de positons (PEPT), développée à l'université de Birmingham dans les années 1980s, est un outil puissant dans diverses applications de génie industriel. Les hydrocyclones sont largement utilisés dans une quantité répandue des applications pour de nombreuses industries, mais sont principalement utilisés dans les opérations de broyage en circuit fermé de classification dans le traitement des minerais. De nombreuses tentatives ont été faites pour capturer les relations clés entre hydrocyclone des variables géométriques et fonctionnement mais la caractérisation de l'hydrocyclone est encore largement empirique et au cas par cas. En raison de leur conception simpliste, l'opération facile et faible coût de maintenance, les hydrocyclones ont acquis une bonne réputation répandue pour les séparations solide-liquide. Malgré leur large utilisation et longue histoire dans l'industrie, le champ d'écoulement interne de l'hydrocyclone est de nature complexe et demeure un défi de visualiser dans des conditions d'utilisation normales. Les travaux présentés dans ce projet se sont penché sur la faisabilité et le potentiel de PEPT d'examiner le movement fluide des hydrocyclones. Cette étude présente le mouvement des particules en temps réel de petits hydrocyclones par PEPT. Il est nécessaire de développer une méthode de visualisation par lequel les distributions de vitesse peuvent être quantifiées dans des conditions industrielles réelles. Par conséquent, ce projet donnera un aperçu sur la théorie du champ d'écoulement de l'hydrocyclone actuel et présente les résultats expérimentaux de visualisation de movement de particules à l'intérieur de hydrocyclones en utilisant PEPT pour deux conditions : l'eau et la silice en suspension.

Flotation machines disperse air into bubbles using a variety of devices. Since the characteristics of the bubble population are controlled by frother, measurement of frother concentration it is vital to understand and control performance. A previously developed colorimetric technique, based on a reaction between a dehydrated frother molecule and an aldehyde proposed by Komarowsky, was refined to increase analysis rate and reproducibility, particularly for low-solubility frothers.The refinements included replacing volumetric preparation of frother solutions by weighing of components. This permitted a reduction in the concentration of the solutions which facilitated analysis of low-solubility frothers. Extraction of frother into chloroform demonstrated that the choice of chloroform was critical. A significant change was in the construction of the calibration curve, where the wavelength selected (in the range 300-700 nm) was which given the minimum sum of squares of residuals. Use of a blank and a sample with no frother, resulted in linear calibrations through the origin. Developing a way to process samples in batches increased the daily analysis rate to 20 samples making it suited to plant surveys.The reproducibility of the refined technique showed a relative error at the 95% confidence interval of about 2.5% which included solution preparation. The detection limit was approximately 0.2 ppm, although the technique is still able to detect frother at concentrations below 0.1 ppm.A database was created to document experiences in selecting standards for commercial frothers, which will help users of the technique.The method was exploited in a basic study to determine frother coverage on bubbles, which required novel equipment and procedures. The results, expressed as area of adsorbed frother molecule, were comparable to the estimation from the Gibbs adsorption isotherm. In an industrial application, frother partitioning (ratio of overflow to underflow concentration) was shown to be significant, in some cases helping to explain downstream problems. The technique was integrated into the gas dispersion technology used to troubleshoot flotation cell hydrodynamics.Transfer of the technology was undertaken. It was shown how frother concentration varies with location and time in a circuit. Such information was not available previously. This was referred to as 'frother mapping' and proved useful in diagnosing stability of frother delivery, adequacy of number and location of addition points, and in detecting units operating with potentially too low a frother concentration. Experience at several concentrators is discussed along with possible implications and remedies. / Les appareils assurant la flottation dispersent l'air en formant des bulles par divers moyens. Les caractéristiques de la population de bulles dépendent de la concentration du moussant. Il est donc essentiel de comprendre et de pouvoir contrôler le fonctionnement de ces appareils. Une méthode colorimétrique déjà développée par Komarowsky, fondée sur une réaction entre une molécule déshydratée du moussant et un aldéhyde, a été affinée afin d'augmenter le taux d'analyses et leur reproducibilité, en particulier pour les moussants faiblement solubles.Parmi les affinements, la préparation volumétrique des solutions de moussant a été remplacée par une préparation pondérale, ce qui a permis de réduire la concentration des solutions, et a mené à une analyse plus facile des moussants faiblement solubles. L'extraction du moussant dans le chloroforme s'est avérée d'importance critique. Une amélioration importante a eu lieu dans la construction de la courbe de calibrage, où la longueur d'onde choisie, entre 300 et 700 nm, est celle qui produit la somme résiduelle minimale. L'utilisation d'un blanc et d'un échantillon dépourvu de moussant a mené à un calibrage linéaire passant par l'origine. Le développement d'une façon de procéder avec échantillons groupés a augmenté le taux d'analyses quotidien jusqu'à 20, ce qui est pratique pour évaluations dans une usine.La reproducibilité de la technique affinée, y compris l'étape de la préparation des solutions, a démontré une erreur relative d'environ 2.5% à un intervalle de confiance de 95%. Le seuil de détection était d'environ 0.2 ppm, quoique la méthode permet de déceler le moussant à un seuil inférieur à 0.1 ppm.La méthode a été exploitée dans une étude fondamentale visant à évaluer le taux de recouvrement d'un molécule moussant sur les bulles, ce qui a exigé un nouvel équipement et des procédures modifiées. L'aire du moussant adsorbé qui en a résultée est comparable à la valeur estimée selon l'isotherme d'adsorption de Gibbs. Dans une application industrielle, la répartition du moussant (rapport des concentrations au surverse et sousverse) est importante dans certains cas afin d'expliquer les problèmes éventuels. La technique modifiée a pu être intégrée à la technologie de dispersion des gaz pour dépannage en ce qui touche les aspects hydrodynamiques des cellules de flottation.On a entrepris un transfert de la nouvelle technologie. La concentration du moussant dans un circuit peut varier selon l'endroit et le temps, information non disponible antérieurement. Une telle "cartographie du moussant" s'avère d'une grande utilité pour évaluer la stabilité de livraison du moussant, l'adéquation du nombre et d'endroits de points d'ajout, et la détection d'unités ayant des concentrations potentiellement trop faibles. L'analyse comprend une évaluation de plusieurs concentrateurs, ainsi que des implications possibles et des procédures d'amélioration.

Bubble formation, coalescence and break-up processes coupled with bubble velocity determine gas dispersion properties in a flotation cell. Frothers are typically added to inhibit bubble coalescence (decrease bubble size) and reduce bubble rise velocity. If present at elevated concentration the presence of certain inorganic salts has been shown to have a similar capability to frother.Much of the literature focuses on the role of bubble coalescence on the production of fine bubbles. Researchers have hinted that the presence of frother may also affect bubble break-up. For the most part, little attention has been paid to the role of frother in bubble break-up. A few researchers have noted that bubble-bubble interactions may play a role in bubble break-up processes.The first study in the thesis examines bubble formation in water at a capillary using high-speed photography and reviews the processes which lead to bubble break-up. Several authors have noted bi-modal bubble size distributions (BSD) in flotation systems at low frother or inorganic salt concentrations. The origin appears to be related to bubble-bubble interactions. The study provides visual evidence of coalescence-related and wake-related mechanisms creating fine bubbles and bi-modal distributions. Four coalescence mechanisms are identified: coalescence-induced break-up, droplet formation and collision, liquid jet formation and collision, liquid jet disruption to droplets and collision; and two wake-related events: distortion and break-up of trailing bubble, and premature detachment. Comparing the fine/coarse mode ratio in water only systems (ca. 1/10) the possible relevant mechanisms are suggested. Knowing that frothers produce a mono-modal BSD and act to retard coalescence, the origin of the bi-modal BSD is argued to be coalescence-related.The second study uses a similar technique to quantify the effect of frothers and inorganic salts on bubble regimes at a capillary. High-speed photography was used to determine the transition air flow rate between non-coalescence, coalescence, and coalescence with fine bubble production (break-up). The addition of solute inhibited bubble coalescence and delayed the onset of fine bubble production. The tests allow for frother and salt strength characterization.The third set of experiments uses passive acoustic emission monitoring to study the role of solid particles on bubble coalescence. The systems being opaque argue against the use of optical techniques. The effect of 1 to 10% w/w talc (hydrophobic) or silica (hydrophilic) on air bubble formation and coalescence at a capillary in the presence of MIBC or sodium chloride was determined. Both solids slightly inhibited bubble coalescence while the silica created a larger region of partial coalescence compared to talc. At 10% w/w the silica appeared to promote coalescence at high MIBC concentration.Frothers and certain inorganic salts not only inhibit bubble coalescence but also reduce bubble rise velocity. Upon inspection of high-speed records of rising bubbles, it became clear that the presence of solute affected bubble shape and rise velocity in tandem. A study was undertaken to examine the relationship between bubble shape and rise velocity for a single rising bubble. Individual bubbles ca. 2.3 mm in diameter were produced at a capillary in water containing an inorganic salt (NaClO4, KCl, NaCl, Na2SO4, or CaCl2). Using high-speed photography and image analysis techniques, bubble aspect ratio and rise velocity were measured at 1 ms time intervals over a distance ca. 1.15 to 1.20 m above the capillary. All conditions showed oscillations in bubble aspect ratio and velocity that were related. Increasing concentration, on average, created more spherical bubbles that rose at lower velocities. The same observations were made in the presence of MIBC frother. Results suggest a unique relationship between bubble shape and rise velocity independent of solute type. / La première étude présentée met l'emphase sur la formation des bulles au bout d'un tube capillaire immergé dans l'eau en utilisant la photographie à haute vitesse afin de réexaminer les procédés à l'origine de la scission. Plusieurs auteurs ont noté la présence d'une distribution de la taille des bulles (DTB) qui est bimodale pour des systèmes de flottation ayant de faibles concentrations d'agent moussant ou de composé inorganique. Cette distribution semble être reliée à des interactions bulles-bulles. L'étude démontre visuellement des mécanismes reliés à la coalescence et à la trainée d'une bulle créant des bulles plus fines et ainsi une distribution bimodale. La comparaison des modes des petites et grosses bulles (d'un rapport 1/10) révèle les mécanismes potentiels. Sachant que les agents moussants produisent une DTB monomodal et que leurs rôles est de prévenir la coalescence, la création de la DTB bimodal semble être relié à la coalescence.La deuxième étude utilise une technique similaire pour quantifier l'effet des agents moussant et des composés inorganiques sur le type de bulles produites au bout d'un tube capillaire. La photographie à haute vitesse a été utilisée pour déterminer la transition entre la non-coalescence, la coalescence, et la coalescence avec scission. L'ajout d'un soluté inhibe la coalescence des bulles et retarde le début de la production des petites bulles. Les résultats permettent la caractérisation des agents moussants en termes de puissance.Le troisième groupe d'expériences utilise l'enregistrement des signaux sonores passifs pour étudier le rôle des particules (hydrophobes et hydrophiles) sur la coalescence des bulles. Plusieurs études utilisent des techniques optiques pour mesurer directement ou indirectement l'effet d'un soluté sur la coalescence des bulles. Les techniques optiques sont typiquement limitées à l'étude de systèmes biphasés (solution-air) puisque les systèmes triphasés (solution-air-particules) sont généralement opaques. L'enregistrement des signaux sonores passifs a été utilisé pour déterminer l'effet des particules (en concentration de 1 à 10 % m/m de talc ou de silice), sur la formation et la coalescence des bulles produites au bout d'un tube capillaire en présence de MIBC ou chlorure de sodium. Les deux types de particules ont inhibé la coalescence de bulles et la silice a crée la plus grande région de coalescence partielle en comparaison au talc. À 10 % m/m de silice, la coalescence est favorisée s'il y a haute concentration de MIBC.Non seulement les agents moussants et certains composés inorganiques inhibent la coalescence des bulles, mais ils réduisent aussi la vitesse d'ascension. La photographie des bulles ascendantes à montré que la présence de soluté affectait la forme et la vitesse des bulles de façon combinée. Une étude a donc été menée afin d'examiner la relation entre la forme et la vitesse des bulles. Des bulles individuelles d'environ 2.3 mm de diamètre ont été produites au bout d'un tube capillaire immergé dans de l'eau contenant un composé inorganique (NaClO4, KCl, NaCl, Na2SO4, or CaCl2). À l'aide de la photographie à haute vitesse et de techniques d'analyse d'image, le facteur de forme et la vitesse d'ascension de bulles ont été mesurés à un intervalle de 1 ms à une distance d'environ 1.15 à 1.20 m au-dessus du capillaire. Tous les mélanges ont montré des oscillations du facteur de forme et de la vitesse d'ascension reliées. Généralement en augmentant la concentration, on crée des bulles plus sphériques montant à une vitesse plus faible. Les mêmes observations ont été faites en présence de MIBC. Les résultats suggèrent une corrélation unique entre la forme et la vitesse d'ascension des bulles, indépendamment du type de soluté présent.

Entrainment is a non–selective form of flotation recovery which degrades the selectivity of the flotation process. Previous studies have found that a balanced recovery profile (i.e., each cell in a bank having equal recovery) yields the highest separation efficiency between two floatable minerals. Analysis of the empirical JKMRC water overflow rate model suggests that a balanced mass pull profile (i.e., equal mass distribution to each cell in bank) would minimise entrainment over a bank of flotation cells, whenever the value of b is greater than one. Simulations conducted in JKSimFloat comparing varying recovery and mass pull profiles support a balanced mass pull profile to maximise the separation efficiency between a floatable mineral and entrained gangue, and a balanced recovery profile to maximise the separation efficiency between two floatable minerals. Values of b > 1 were found for overflow rate data collected in several flotation systems. However, there was no phenomenological reasoning for this assumption. Based on data collected in industrial cells, the value of b was predicted in terms of the froth gas hold–up and the fraction of unburst bubbles that overflow a flotation cell. The value of gas hold–up in flotation froths is typically greater than 50 %, whereas α is typically less than 50 %. This finding lends support to the assumption that b is always greater than 1. It is recommended that this model be tested on other systems to examine its validity. / L'entraîınement est un mode non-sélective de flottation qui diminue la sélectivité du procédé de flottation. Des études précédentes d´emontrent qu'un profil de récupération balancée (dans laquelle chacune des cellules de flottation dans unesérie a une récupération équivalente) produit la meilleur efficacité de séparation entre deux minerais flottables. Une analyse du modèle empirique JKMRC du débit d'eau à la surverse suggère qu'un profil de récupération massique balancée (dans laquelle chacune des cellules de flottation dans une série a une récupération massique équivalente) minimiserait l'entraînement pour une série de cellules de flottation. Cette conclusion est valide seulement quand la valeur de b est supérieure à 1. Des simulations comparant des profils de récupération et de récupération massique (réalisé avec le logiciel JKSimFloat) soutiennent qu'un profil de récupération massique balancée maximise l'efficacité de séparation entre un minerai flottable et des rejets non-flottables, et qu'un profil de récupération balancée maximise l'efficacité de s´eparation entre deux minerais flottables. Des valeurs de b > 1 ont été mesurées pour des données de débits d'eau à la surverse dans plusieurs systèmes de flottation. Par contre, aucune explication phénoménologique n'existe pour justifier cette assomption. En utilisant des valeurs cueillies avec des cellules de flottation industrielles, la valeur de b a été prédit en terme de fraction gazeuse dans la mousse et la fraction de bulles non-éclatées dans la surverse de la cellule de flottation. La valeur de la fraction gazeuse dans la mousse est généralement supérieur à 50 %, tandis que α est généralement inférieur à 50 %. Cette notion appui l'assomption que la valeur de b est toujours supérieur à 1. Il est recommandé que ce modèle soit vérifiée avec d'autres systèmes pour d´eterminer sa validité.

Maintaining the uniformity of the temperature distribution of the liquid metal before it enters the mold of Direct Chill (DC) casting processes is critical from the standpoint of defect formation. The temperature of the liquid phase depends on the flow pattern of the molten metal which is strongly inter-connected to the design characteristics of the metal distributor and the process parameters used for a particular alloy such as, casting speed, melt superheat, mold water flow rate, etc. If the melt distribution system is improperly designed and can't sufficiently reduce the turbulence of the incoming melt in the liquid pool, then it will act as a continuous source of oxide formation and contamination during the whole casting process. This will impact adversely on the cast quality and enhance the scrap rate. In order to minimize the impurities in the cast, the present research study suggests and models various new designs of melt distribution systems where the melt is filtered before entering the mold. As part of this effort, a comprehensive 3-D mathematical model of the coupled turbulent fluid flow, heat transfer with mushy region solidification was developed for the vertical DC casting process during steady state phase for an industrial scale rolling ingot. The model was specifically used for understanding the complex interactions between the melt flow and temperature evolution in the solidifying Al-1050 ingot under six different melt feeding arrangements for various casting speeds and melt superheats. The predicted results are presented in the form of temperature and velocity fields. In addition, the quantitative values of the sump depth, the mushy zone thickness, the shell thickness, and the local surface heat flux are given in both graphical and tabular forms. The results show that the temperature distributions and the velocity fields in the melt and in the mushy region are significantly different under different melt feeding schemes. The predictions of the various aspects of the ingot have provided a clear insight about the thermal variations in the entire cross-sections of the ingot. The fundamental models which have been developed in this research can be used as a powerful tool for process optimization and quality control. / Maintenir l'uniformité de la distribution de température d'un métal liquide avant qu'il soit mis dans un moule de traitement thermique Direct Chill (DC) est critique pour réduire la formation de défauts. La température de la phase liquide d'un métal en fusion dépend sur sa configuration d'écoulement, et ce dernier est fortement liée aux particularités du distributeur de métal utilisé, ainsi qu'aux paramètres choisis pour l'alliage en question, tel que la vitesse de moulage, la fusion en surchauffe, la vitesse d'écoulement de l'eau de moule, etc. Si le système de distribution de température a des défauts de conception et ne peut pas réduire suffisamment la turbulence du métal en fusion qui arrive dans le réservoir, il agira comme source continuel de formation d'oxyde et de contamination durant le processus de moulage. Ceci aura des effets négatifs sur la qualité du moulage et augmentera le taux de rebuts. Pour minimiser les impuretés durant le moulage, notre projet de recherche vise à développer plusieurs conceptions de systèmes de distributions de température où le métal en fusion est filtré avant d'arriver dans la moule. Dans ce but, un modèle mathématique 3-D représentant l'écoulement de fluide turbulent couplé, ainsi que le transfert de chaleur avec solidification de région molle, a été développé pour le processus de moulage DC durant la phase stable pour un lingot roulé de taille industrielle. Plus précisément, ce modèle a été utilisé pour comprendre les interactions complexes qui se produisent entre l'écoulement de métal en fusion et l'évolution de température du lingot solidifié Al-1050 sous différentes paramètres de fusion, pour plusieurs vitesses de moulage et de fusion en surchauffe. Ce modèle est basé sur le la méthode des volumes finis. Cet algorithme simple a été utilisé pour couplé la vélocité et les champs de pression pour que les vélocités répondent à l'équation de conservation. Une formulation de phase simple a été adoptée pour résoudre les trois régions, dont liquide, molle et solide, grâce à un ensemble d'équations gouverneurs. Le modèle 'low-Reynolds number k- ε' de Launder et Sharma a été utilisé dans la région en fusion pour justifier l'augmentation de viscosité effective et la conductivité thermique effective, et donc balancer les effets de turbulence qui se présentaient. La méthode populaire 'enthalpy-porosity' a été adopté pour couplé l'équation d'énergie avec l'équation de quantité de mouvement. La loi de Darcy a été utilisée dans les équations de quantité de mouvement pour modeler l'écoulement de fusion dans la région molle. Les termes de convections des équations ont été discrétisées en utilisant la méthode de la différence hybride. Les effets de convection naturelle dans le métal liquide ont été ajoutés grâce à l'approximation Boussinesq. Le filtre, qui a été placé sur le sommet du réservoir, a été modelé grâce à l'équation 'Brinkman-Forchheimer extended Darcy' pour matières poreuses. L'approche proposé par Pedras et de Lemos a été utilisé pour modeler le courant turbulent et le transfert de chaleur dans les matières poreuses. Avec cette approche, l'opérateur de la moyenne des volumes a été appliqué à l'équation des heures de turbulence locales. Les zones de refroidissement primaires et secondaires ont été simulées en changeant le coefficient de transfert de chaleur sur la surface du lingot. Les données de coefficient de transfert de chaleur ont été prises de la littérature sur le moulage DC. Le modèle 3-D CFD a été validé contre les résultats de phases de solidification stable obtenus par d'autres études sur le moulage, pour un lingot roulé 1320 mm x 660 mm AA3104, moulé avec un système de délivrance combo 'standard bag'. La comparaison du front de solidification prévu avec les données mesurées, récupérées avec des thermocouples sacrificiels intégrés, indiquent que le modèle donne des résultats fiables.

In flotation, the rate with which mineral particles are recovered is governed by the bubbles generated. The smaller the bubbles, the more surface area is available for transport to the froth zone. Surface-active species, known as frothers, are commonly added to help produce small bubbles in flotation. They are believed to act by coalescence prevention and have different characteristics based on their chemical and structural formulas. Many methods have been developed to categorize the classes of frothers, describing different behaviours and material constants. One such method is the critical coalescence concentration (CCC) of a frother which is determined from a plot of Sauter mean bubble size (D32) vs. frother concentration, referred to here as the 'addition' method. Industrial flotation systems can encounter a number of naturally occurring surfactants and salts that also influence bubble size, such as during oil sands extraction. In effect there is a 'system' CCC. The thesis introduces a new dilution method to identify a system CCC. It is shown that the system CCC can be expressed as an equivalent frother concentration to provide context and a means of comparing water samples. Process water samples from the thickener overflow in Shell Albian Sands were tested. The study showed variability in the frother-equivalence of the process waters reaching at most the equivalent of 60 ppm of DF-250, a value that is much higher than the range of frother concentrations commonly employed in the minerals industry. The viability of using gas holdup to provide an estimate of process water D32 is also explored. A gas holdup to D32 correlation was established and used in developing the CCC curve of a sample, the advantage being gas holdup is an easier parameter to measure. It is concluded that the dilution and frother equivalent techniques can be used to help identify system hydrodynamic properties. A longer term ambition is to consider using gas holdup for on-line application to evaluate possible changes in process waters which may impact these hydrodynamic properties. / Dans le procédé de flottation, la vitesse avec laquelle les particules minérales sont récupérés est régie par les bulles générées. Le plus les bulles sont petites, le plus d'aire superficielle disponible pour le transport vers la zone de mousse. Les espèces tensio-actifs, connus comme agents moussants, sont ajoutés pour aider à produire de petites bulles. Ils sont soupçonnés d'agir par la prévention de la coalescence et ont des caractéristiques différentes en fonction de leurs formules chimiques et structurales. De nombreuses méthodes ont été mises au point pour classer les catégories d'agents moussants. Une telle méthode est la concentration de coalescence critique (CCC) d'un agent moussant qui est déterminée à partir d'un graphique de diameter Sauter qui represente la taille moyenne des bulles (D32) contre la concentration d'agent moussant, une méthod dénommé «Addition».Les systèmes de flottation industriels peuvent rencontrer un certain nombre d'agents tensio-actifs d'origine naturelle et les sels qui influencent également la taille des bulles, comme lors de l'extraction des sables bitumineux. En effet, il ya un «système» CCC. La thèse présente une nouvelle méthode de dilution pour identifier un système CCC. Il est démontré que le système CCC peut être exprimée comme une concentration équivalente d'agent moussant, ce qui contribue a fournir un contexte et un moyen de comparer des échantillons d'eau. Les échantillons d'eau de procédé provenant du débordement d'épaississant dans Shell Albian Sands ont été testés. L'étude a révélé une variabilité dans l'équivalence d'agent moussant des eaux de process atteignant tout au plus l'équivalent de 60 ppm de DF-250, une valeur qui est plus élevé que la gamme de concentrations d'agent moussant couramment utilisés dans l'industrie des minéraux.La viabilité de l'utilisation de la rétention de gaz pour fournir une estimation du D32 des échantillons d'eau est aussi explorée. Une corrélation entre la rétention de gaz et D32 a été établie et utilisée dans le développement de la courbe CCC d'un échantillon, l'avantage étant la simplicité de mesurer le retenue de gaz. Il est conclu que la technique de dilution peut être utilisé pour aider à identifier les propriétés hydrodynamiques du système. Une ambition à long terme est d'utiliser la rétention de gaz pour des applications en ligne pour évaluer les changements possibles dans les eaux de procédé qui peuvent influencer ces propriétés hydrodynamiques.

The tundish plays an important role to produce refined steel as well as acting in its traditional role as a steel distribution vessel. Presently, a tundish fitted with different flow control devices, such as an impact pad, dams, weirs, baffles, etc. is used to provide the maximum opportunity for carrying out various metallurgical operations such as inclusion separation, superheat control, reduced slag entrapment and to provide thermal and particulate homogenization. Modelling has shown that a correctly designed impact pad in a continuous casting tundish can significantly reduce the amounts of slag entrained into individual moulds during ladle change operations. It can also minimize non-metallic inclusions reporting to the final product by improving inclusion flotation efficiency. Water can be used for the physical simulation, because the kinematic viscosities of liquid steel (at 1600°C) and water (at 20°C) are equivalent. In this one third scale water modeling work, the effects of an optimized impact pad on molten steel quality was evaluated in terms of "slag" entrainment during a ladle change, together with tracer dispersion studies and residence time distribution (RTD) analyses for isothermal and non-isothermal cases (temperature differences in between incoming fluid and existing fluid within the tundish) so as to visualize flow patterns developing within the tundish. Furthermore, the effect of increasing the molten steel capacity within the tundish by raising the liquid level, on the degree of slag entrainment during ladle changing operations, was also demonstrated. / Le Tundish joue un rôle important dans la production de l'acier raffiné ainsi que d'agir dans son rôle traditionnel d'un récipient de la distribution d'acier. Actuellement, un Tundish équipé de divers dispositifs de commande d'écoulement tels comme amortisseur d'impact, barrage, déversoirs, baffles, etc. est utilisé pour fournir le maximum de chances pour la réalisation de diverses opérations métallurgiques tels que la séparation d'inclusions, alliage rognage, réglage de la surchauffe, réduit piégeage de scories et pour fournir une homogénéisation thermique et de particules. La modélisation a montré que la conception d'un approprié amortisseur d'impact dans un Tundish de coulée continue permet de réduire de façon significativement les quantités de scories piégeage dans des moules individuels pendant les opérations de changement de louche. Cela réduit également les inclusions non métalliques et améliore le produit final en raison d'une plus grande efficacité de la flottation.L'eau peut être utilisée pour la simulation physique, parce que la viscosité cinématique de l'acier liquide (1600°C) et de l'eau (20°C) sont équivalentes. A une échelle 1/3 du travail de modélisation, l'effet d'un optimale amortisseur d'impact sur la qualité d'acier fondu a été évaluée en termes de piégeage de scorie pendant le changement de "ladle", cette avec l'étude de la dispersion de traceurs et les analyses de la distribution des temps de séjour (RTD) pour les cas isothermique et non-isothermique (différence de température entre les flux de liquide d'entrée et sortie du Tundish) pour visualiser flux dans le Tundish. En plus l'affect d'augmenter la capacité d'acier fondue dans le Tundish par l'élévation du niveau du liquide, sur le grade du piégeage de scorie pendant les opérations de changement de louche ont aussi été démontre.

The kinetics and crystal quality of a novel reactive crystallization system leading to the formation of calcium sulfate phases with simultaneous generation of strong hydrochloric acid (up to 9 M ) were investigated. The investigations undertaken in this work relate to a new hydrochloric acid regeneration process currently under industrial development for application in non-ferrous metal hydrometallurgical operations. In particular the thesis is considering the following aspects: (a) the crystal growth kinetics of calcium sulfate α-hemihydrate (HH); (b) calcium sulfate phase transformation kinetics; (c) impurity effects; and (d) crystal modifier effects on calcium sulfate crystal quality. With reference to (a), the surface area-normalized crystal growth rates of calcium sulfate α-hemihydrate were determined in two types of solutions – high CaCl2 (HCl 1.4 M, CaCl2 2.8 M ) and high HCl (HCl 5.6 M, CaCl2 0.7 M ) in a semi-batch reactor operated at constant supersaturation over the temperature range 70°C to 95°C. The growth rate was found to depend only on the reagent supply rate of Ca2+ and SO42– and to obey von Weimarn's second law of crystallization that relates crystal size to supersaturation level. Moreover it was found the width of the particle size distribution to decrease with increasing crystal growth rate. In (b) an investigation of the phase transformation kinetics of calcium sulfate dihydrate (DH) and HH was done by batch experiments over a range of CaCl2 (0.25 M to 4.97 M ), HCl (0 M to 9.43 M ) concentrations and temperatures (40°C to 90°C) including the effect of seeding. Two different mechanisms were identified, a dissolution-precipitation mechanism for the DH to HH and a topotactic reaction mechanism for the HH to AH transformation. Increased temperature and reduced water activity were found to reduce the life-time of the metastable phases DH and HH. In (c) the effects of a wide range of cationic and anionic impurities (K+, Mg2+, Sr2+, Ba2+, Al3+, Fe2+, Fe3+, La3+, Y3+, F– (fluoride), PO43– (phosphate)) on the reactive crystallization of calcium sulfate phases in strong CaCl2 (1.82 M) HCl (6.29 M) solutions at 40°C for DH or 80°C for HH, were determined. It was found by far the uptake of strontium to be the highest in DH and HH among all impurities, caused by a substitution for Ca2+ due to their similar ionic radii. Phosphate was the other impurity that had a detrimental effect as it was taken up significantly during crystal growth. Furthermore, both impurities caused the phase transformation of DH to HH if certain concentration levels were exceeded. Lastly in (d), the effects of a broad range of crystal habit modifiers were investigated in CaCl2-HCl solutions of different strength. The most influential additives were CTAB (cetyltrimethylammonium bromide), polyacrylic acid and polyvinylsulfonic acid. CTAB favored formation of industrially interesting thick slab crystals. In contrast polyacrylic acid resulted in the formation of elongated and thinner crystals explained on the basis of preferential crystal plane adsorption. Polyvinylsulfonic acid had a detrimental effect on DH crystal nucleation and growth explained by its polymeric structure. The ineffectiveness of the majority of additives was attributed to a lack of ionization caused by the high acid solution strength. / La cinétique et la qualité cristalline d'un nouveau système de cristallisation réactive menant à la formation des phases de sulfate de calcium avec la génération simultanée de l'acide chlorhydrique (un acide fort, jusqu'à 9 M) ont été étudiées. Les études entreprises dans cette recherche sont reliées à un nouveau procédé de régénération de l'acide chlorhydrique présentement en développement pour des applications industrielles dans des opérations hydrométallurgiques des métaux non-ferreux. Cette thèse considère les aspects suivants: (a) la cinétique de cristallisation du sulfate de calcium α-hémihydraté (HH); (b) la cinétique des transitions de phase du sulfate de calcium; (c) les effets des impuretés sur la cristallisation réactive des phases du sulfate de calcium; et (d) les effets des modificateurs de cristaux dans la qualité cristalline du sulfate de calcium. Concernant (a), les taux de croissance des cristaux de sulfate de calcium α-hémihydraté, normalisés selon l'aire de surface, ont été déterminés dans deux types de solutions–à haute concentration en CaCl2 (HCl 1.4 M, CaCl2 2.8 M) et à haute concentration en HCl (HCl 5.6 M, CaCl2 0.7 M)–avec un réacteur semi-continu opéré à sursaturation constante dans une série de températures allant de 70°C jusqu'à 95°C. Il a été montré que le taux de croissance dépend uniquement du débit d'introduction des réactifs Ca2+ et SO42-, et qu'il obéit à la deuxième loi de cristallisation de von Weimarn reliant la taille du cristal avec le niveau de sursaturation. De plus, il a été trouvé que la largeur de la distribution de tailles des particules diminue lorsque le taux de croissance du cristal augmente. En (b), une étude sur la cinétique des transitions de phase du sulfate de calcium dihydraté (DH) et du HH a été réalisée dans des réacteurs discontinus sur un intervalle de concentrations de CaCl2 (de 0.25 M jusqu'à 4.97 M), de HCl (de 0 M jusqu'à 9.43 M), et de températures (de 40°C jusqu'à 90°C) incluant l'effet de la nucléation. Deux mécanismes de transition ont été identifiés: un mécanisme de dissolution-précipitation pour la transition du DH vers le HH, et un mécanisme à réaction topotactique pour la transformation du HH en AH. Une réduction de la durée de vie des phases métastables, DH et HH, a été trouvée lorsque la température a été augmentée et l'activité avec de l'eau a été réduite. En (c), les effets d'une série d'impuretés cationiques et anioniques (K+,Mg2+,Sr2+,Ba2+,Al3+,Fe2+,Fe3+,La3+,Y3+, F- (fluorure), PO43- (phosphate)) sur la cristallisation réactive des phases du sulfate de calcium dans des solutions à haute concentration de CaCl2 (1.82 M) et HCl (6.29 M) ont été déterminés à 40°C et à 80°C pour le DH et le HH respectivement. Parmi toutes les impuretés, l'incorporation de strontium dans le DH et le HH s'est montrée la plus élevée, par substitution du Ca2+ à cause de la similarité de leurs rayons ioniques. L'autre impureté qui a eu un effet négatif lorsqu'elle a été incorporée de façon significative durant la croissance du cristal est le phosphate. De plus, ces deux impuretés ont engendré une transition de phase du DH vers le HH lorsque certains niveaux de concentration ont été dépassés. Finalement en (d), les effets d'une vaste plage de modificateurs de la morphologie de cristaux ont été examinés dans des solutions de CaCl2-HCl à différentes concentrations. Les additifs les plus actifs ont été le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB), l'acide polyacrylique et l'acide polyvinyle sulfonique. L'utilisation du CTAB a favorisé la formation des plaques épaisses de cristaux, ce qui est d'intérêt industriel, alors que l'acide polyacrylique a engendré la formation des cristaux minces et allongés. Ce comportement avec l'acide polyacrylique, s'explique par la prédilection pour certains plans cristallographiques lors de l'adsorption. L'utilisation de l'acide polyvinyle sulfonique a nui à la nucléation et à la croissance des cristaux, ce qui s'explique par sa structure polymérique.

Regeneration of HCl from process solutions is an important unit operation in chloride hydrometallurgy. Currently, it is accomplished by the highly capital and energy intensive technology of pyrohydrolysis. The research described in this thesis, has focused on an alternative HCl regeneration system from iron(II, III) chloride solutions that has been coined "Hydrolytic Distillation". This system relates to the earlier developed (in the 1970s) PORI Process. Basically this system involves two steps: (1) the oxidation of ferrous chloride solution by oxygen sparging under reflux conditions (atmospheric pressure) at 150ºC; and (2) the hydrolytic decomposition under atmospheric pressure of ferric chloride solution by continuous controlled water addition at 180ºC. As a result of the latter step iron is recovered as hematite and chloride units as superazeotropic (8-9 M) hydrochloric acid in the vapor phase condensate. The study on oxidation determined that 2/3 of FeCl2 is converted to FeCl3 and 1/3 to Fe2O3 at a rate that is controlled by oxygen mass transfer. The hematite product from the oxidation step proved to be crystalline but nanostructured consisting of 1-2 μm porous aggregated particles possessing 12-28 m2/g specific surface area and to be essentially pure α-Fe2O3 (70% Fe, <0.1% Cl-). With reference to the hydrolytic precipitation/distillation step it was determined that at 180ºC, the temperature at which superazeotropic HCl (8-9 M) was consistently produced, the composition of the liquid phase is "FeCl32H2O". Controlled continuous addition of H2O (or feed solution) was found to be critical in maintaining pseudo-steady state and driving the reaction to ~95% conversion efficiency. The hematite consisted of coarse spherical compact aggregated particles (~40 μm) that exhibited excellent filtration and washing properties. Its %Fe content was 68.5% and it contained ~4% H2O and ~3% Cl- that could be re / Le recyclage d'acide chlorhydrique à partir de solutions industrielles chlorées constitue une étape importante des procédés hydrométallurgiques. A l'heure actuelle cette opération est effectuée par pyrohydrolyse, une technique très couteuse d'un point de vue économique ou énergétique. La recherche présentée dans ce manuscrit se concentre sur un système de recyclage d'acide chlorhydrique à partir de solutions de chlorure de fer (II, III), baptisé "Distillation Hydrolytique". Ce système est issu du procédé PORI, préalablement développé (dans les années 1970). Le système inclus principalement deux étapes : (1) l'oxidation d'une solution de chlorure de fer (II) (FeCl2) par barbotage d'oxygène et utilisation d'une colonne à reflux (sous pression atmosphérique), à une température de 150°C ; (2) la décomposition hydrolytique sous pression atmosphérique d'une solution de chlorure de fer (III) (FeCl3) à 180 °C par ajout d'eau contrôlé et continu. A la fin de cette dernière étape, le fer est récupéré sous forme d'hématite et les dérivés chlorés sous forme d'acide chlorhydrique super-azéotropique (8-9 M) dans le condensat provenant de la phase gazeuse. L'étude sur l'oxidation a permis de déterminer que 2/3 du FeCl2 était converti sous forme de FeCl3 et le reste sous forme d'hématite Fe2O3, la vitesse de réaction étant contrôlée par le transfert de masse de l'oxygène. L'hématite produite lors de l'étape d'oxidation s'est avérée de nature cristalline, nano-structurée, constituée d'agrégats de particules poreuses, d'une taille moyenne de 1-2 μm avec une aire de surface de 12-28 m2/g et de composition chimique α-Fe2O3 quasi pure (70% Fe, < 0.1% Cl-). Quant à l'étape de précipitation/distillation hydrolytique, il a été déterminé qu'à 180°C, température à laquelle l'acide chlorhydrique super-azéotropique était continuellement produit, la compo