Lits fluidisés - Caractéristiques générales et applications

En partant d'une couche de solides divisés au repos, et sous l'effet d'un courant ascendant de gaz, un lit fixe de particules s'expanse et atteint un état d'équilibre dynamique, dit fluidisé dense, dans lequel les particules sont mises en suspension au-dessus du support poreux traversé par le gaz.

Ces dispersions gaz-solide fluidisées ont un comportement hydrodynamique global qui les rapproche de celui des liquides. Par exemple, un lit fluidisé occupe un volume présentant une surface libre horizontale, même lorsqu'on incline le lit. En système ouvert, le niveau d'un lit peut être maintenu constant par une alimentation en continu en solides divisés et un soutirage, via un orifice pratiqué dans une paroi latérale en fond du volume fluidisé, ou par surverse. Enfin, on peut y immerger des surfaces d'échange.

L'agitation particulaire et le brassage hydrodynamique, par des trains de bulles gazeuses, font, de ces couches fluidisées, des volumes dans lesquels les solides divisés sont vigoureusement mélangés. Ils peuvent y échanger de la chaleur et de la matière avec une grande efficacité, par contact direct, à grande surface spécifique, avec le gaz ou avec un échangeur immergé. La couche fluidisée constitue alors un volume ouvert, pratiquement isotherme, du fait de la forte capacité thermique massique des solides par rapport à celle du gaz, ainsi que par leur renouvellement au contact des surfaces d'échange.

L'état fluidisé apparaît, en fait, comme une transition entre l'état fixe et le lit entraîné, dans laquelle le solide est mis en suspension diluée dans un gaz porteur ascendant à plus grande vitesse, transporté, puis récupéré, en partie haute, avant d'être retourné dans le lit, formant dès lors un lit fluidisé circulant.

Dans cette première partie du document, on présente les principales caractéristiques des solides divisés, leur classification, et les différents régimes de fluidisation gaz-solide accessibles. On fournit un ensemble de données et de corrélations utilisables concernant l'hydrodynamique de la fluidisation. On présente également les différents dispositifs auxiliaires nécessaires à leur bon fonctionnement. Les performances des lits fluidisés en tant que mélangeurs gaz-solide et solide-solide sont abordées, ainsi que les problèmes d'érosion-corrosion rencontrés dans l'utilisation de cette technologie.

On décrit ensuite les différentes applications possibles des lits fluidisés : elles sont nombreuses et concernent, par exemple, le chauffage/refroidissement de gaz ou de solides divisés, à contact direct ou via des échangeurs immergés, la production ou la récupération d'énergie thermique, la calcination de minerai, le séchage/désorption, la gazéification de combustibles solides.

Une deuxième partie [BE 8 256] sera consacrée aux processus de transferts de masse et de chaleur en lit fluidisé, avec applications aux échangeurs ouverts mono ou multiétagés, aux sécheurs, aux chaudières à lits fluidisés.