Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article décrit les bases de la fluidisation gaz-solide et met l’accent sur l’hydrodynamique des lits fluidisés en régime bouillonnant. Après un rappel sur les propriétés physiques des solides divisés, les principaux concepts de la fluidisation sont présentés : classification des poudres de Geldart ; vitesse minimale de fluidisation ; phénomène de bullage (taille et vitesse des bulles), mouvements d’ensemble et expansion des lits fluidisés ; entraînement et élutriation des particules.
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This article describes the basics of gas-solid fluidization and focuses on the hydrodynamics of bubbling fluidized beds. After a reminder of the main powder physical properties, the key concepts of fluidization are presented: Geldart’s powder classification; minimum fluidization velocity; bubbling phenomena (bubble size and velocity), overall flow patterns and expansion of fluidized beds; entrainment and elutriation.
Auteur(s)
-
Mikel LETURIA : Docteur de l'Université de Technologie de Compiègne - Ingénieur R et D chez AREVA – Centre de recherche de CEZUS
-
Khashayar SALEH : Professeur des Universités - Université de Technologie de Compiègne – Département génie des procédés industriels – Labo. TIMR EA4297
INTRODUCTION
La fluidisation est un procédé de mise en contact d'une phase granulaire et d'une phase fluide qui permet de maintenir les particules en suspension. Le terme « fluidisation » vient du fait que la suspension gaz-solide est amenée à un état semblable à celui d'un liquide. La gazéification du charbon représente la première application à échelle industrielle de la fluidisation gaz-solide et remonte aux années 1920. Cette technique a connu un développement rapide et important à partir des années 1940, avec le lancement des réacteurs de craquage catalytique du pétrole (procédé FCC). Le procédé FCC est basé sur l'utilisation d'un lit fluidisé de catalyseur qui circule entre un réacteur et un régénérateur. Aujourd'hui encore, il constitue une opération essentielle dans le raffinage du pétrole.
L'avantage majeur de la fluidisation réside dans la qualité de la mise en contact intime entre la phase fluide et les particules solides. L'intensité des transferts de matière et de chaleur (aussi bien entre phases, qu'entre le lit et les surfaces immergées) se traduit par des températures et des concentrations uniformes au sein du lit fluidisé. Ces propriétés avantageuses expliquent que le phénomène de fluidisation soit actuellement exploité dans des applications industrielles nombreuses et variées (chimie, pétrochimie, métallurgie, céramiques, agroalimentaire, pharmaceutiques, etc.).
Le comportement d'un lit fluidisé dépend fortement des propriétés de la phase fluide et des particules solides qui doivent donc être parfaitement connues. Par ailleurs, la fluidisation gaz-solide est souvent caractérisée par la présence de bulles et on parle alors de régime bouillonnant. Celles-ci sont responsables de l'agitation des particules et jouent un rôle important dans les mécanismes de transfert de matière et de chaleur. La compréhension du comportement des bulles et la connaissance de leurs caractéristiques sont donc essentielles pour le dimensionnement des lits fluidisés. Enfin, de nombreuses difficultés opératoires sont associées à la mise en œuvre des lits fluidisés : entraînement des particules fines (phénomène d'élutriation), attrition des particules, érosion des surfaces immergées, nécessité de nombreux dispositifs auxiliaires (distributeurs, filtres, cyclones, jambes de retour, etc.). Tous ces facteurs font que la conception, l'extrapolation et le dimensionnement d'unités font encore largement appel à l'expérience et ne sont pas sans risques.
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MOTS-CLÉS
Classification des poudres de Geldart Vitesse minimale de fluidisation Régime bouillonnant Elutriation Attrition Réacteurs chimiques Génie des procédés
KEYWORDS
Geldart's powder classification | minimum fluidization velocity | bubbling fluidization | elutriation | attrition | chemical reactors | chemical engineering
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1992 par Khalil SHAKOURZADEH
DOI (Digital Object Identifier)
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Principe6. Conclusion
La fluidisation est un procédé de mise en contact d'une phase granulaire et d'une phase fluide qui permet de maintenir les particules en suspension. Cette technique assure un contact très intime entre les phases en présence ainsi que des coefficients de transfert de matière et chaleur très élevés. En raison de ses propriétés avantageuses, la fluidisation gaz-solide rencontre un large domaine d'applications dans le monde industriel. Les principales applications peuvent être rassemblées en deux groupes : fluidisation avec opération physique (mélange, séchage, enrobage, etc.) et fluidisation avec réaction chimique (réaction catalytique ou réaction à solide consommable).
Dans ce premier article, nous avons présenté les bases théoriques de la fluidisation gaz-solide dont la compréhension est nécessaire avant d'aborder l'analyse et le dimensionnement des lits fluidisés. L'accent a été mis sur l'hydrodynamique des lits fluidisés en régime bouillonnant (configuration fréquente dans l'industrie). Les différents régimes de fluidisation et la classification des poudres suivant Geldart ont d'abord été décrits. Un ensemble d'équations théoriques et de corrélations empiriques ont ensuite été présentées pour évaluer certaines caractéristiques essentielles au calcul d'un lit fluidisé :
-
vitesse minimale de fluidisation ;
-
taille et vitesse des bulles ;
-
expansion de lit et fraction volumique occupée par les bulles ;
-
régime d'écoulement (fermé ou ouvert) et volume du nuage autour des bulles (dans le cas du régime fermé) ;
-
constante d'élutriation et flux d'entraînement des particules ;
-
etc.
Cet article montre que la fluidisation met en jeu des phénomènes particulièrement complexes qui dépendent de nombreux paramètres (caractéristiques des particules, conditions opératoires, etc.). Ainsi, il est essentiel de retenir que les corrélations présentées dans cet article doivent être utilisées avec grande précaution car leur portée est généralement limitée à des conditions bien particulières (propriétés du solide, conditions opératoires, etc.). Pour cette raison, il est généralement préférable de disposer de données expérimentales lorsqu'un système doit être étudié ou modélisé.
Par...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KUNII (D.), LEVENSPIEL (O.) - Fluidization engineering. - 2nd ed., Butterworth-Heinemann (1991).
-
(2) - WADELL (H.) - Volume, shape, and roundness of rock particles. - The Journal of Geology, 40, p. 443-451 (1932).
-
(3) - GELDART (D.) - Gas fluidization technology. - Wiley, Chichester, New York (1986).
-
(4) - GELDART (D.) - Types of gas fluidization. - Powder Technology, 7, p. 285-292 (1973).
-
(5) - ERGUN (S.), ORNING (A.A.) - Fluid flow through randomly packed columns and fluidized beds. - J. Ind. Eng. Chem., 41, p. 1179-1184 (1949).
-
(6) - WEN (C.Y.), YU (Y.H.) - A generalized method for predicting the minimum fluidization velocity. - AIChE Journal, 12, p. 610-612 (1966).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Éléments de mécanique des fluides : application aux milieux poreux.
-
Caractérisation et analyse des poudres – Propriétés physiques des solides divisés.
-
Caractérisation et analyse des poudres – Propriétés comportementales des solides divisés.
-
Fluidisation gaz-solide. Ingénierie et étude expérimentale.
ANNEXES
Ergun Fluidization Software http://www.utc.fr/ergun/
HAUT DE PAGE
Module UNIT (cours à distance à accès libre) : « Sciences et technologies des poudres » http://www.nte.enstimac.fr/STP/co/STP_web.html
Modèle fluidisation http://www.nte.enstimac.fr/STP/co/OU8.html
HAUT DE PAGE
11th International Conference on Fluidized Bed Technology, 14-17 mai 2014, Beijing, China.
7th World Congress on Particle Technology, 19-22 mai 2014, Beijing, China.
Science et Technologie des Poudres (STP) Colloque ayant lieu tous les 3 ans, prochaine occurrence : 2015 – Nancy.
10th European congress of Chemical Engineering + 3rd European...
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