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)
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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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Entraînement et élutriation des particules4. Hydrodynamique des lits fluidisés en régime bouillonnant
4.1 Phénomène de bullage et théorie des deux phases
La plupart des lits fluidisés industriels fonctionnent en régime de bullage (fluidisation bouillonnante). Généralement, ce dernier apparaît dès que la vitesse superficielle du gaz dépasse :
-
la vitesse minimale de fluidisation (Umf) pour les particules de classe B ;
-
la vitesse minimale de bullage (Umb) pour les particules de classe A (avec expansion de la couche granulaire entre Umf et Umb ).
Selon la théorie des deux phases , un lit fluidisé en régime bouillonnant comporte deux phases distinctes (figure 8) :
-
la phase émulsion (ou phase dense) comportant les particules solides et le gaz interstitiel circulant à la vitesse minimale de fluidisation Umf . Le taux de vide reste approximativement égal au taux de vide au minimum de fluidisation εmf ;
-
la phase bulle correspondant au débit de gaz en excès par rapport au minimum de fluidisation : U – Umf .
Les bulles sont responsables de l'agitation des particules solides et contrôlent souvent les mécanismes de transfert de matière et de chaleur. Néanmoins, elles sont aussi la cause d'un court-circuit du gaz à travers le lit, ce qui réduit le temps de contact gaz-solide et limite le taux de conversion dans le cas des réacteurs chimiques à lit fluidisé. Nombre d'auteurs ont ainsi cherché à décrire le comportement des bulles et leurs principales caractéristiques comme leur taille et leur vitesse. En effet, ces informations sont particulièrement importantes pour la prédiction de l'expansion du lit, l'entraînement des particules et le régime de mélange des particules solides. Dans le cas des réacteurs industriels, ces données servent à la détermination du taux de conversion et permettent également leur dimensionnement et leur modélisation. Par conséquent, la compréhension du comportement des bulles dans les lits fluidisés...
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Hydrodynamique des lits fluidisés en régime bouillonnant
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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