Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les procédés basés sur la technique de la fluidisation des particules ont connu un véritable succès grâce à deux applications majeures : les réactions catalytiques et la combustion du charbon. Dans les deux cas, la faible perte de charge des lits fluidisés et la possibilité de remplacement permanent de la phase solide ont été les deux facteurs décisifs de ce choix. Cet article distingue toit d’abord le régime lits circulants et le régime lits transportés. Le terme lit fluidisé circulant (LFC) est utilisé pour tous les régimes permettant le transport et la recirculation de la phase solide. Sont détaillées les différentes composantes d’un LFC, avec présentation des paramètres comme le taux de recirculation et le bilan de population, ainsi que les différents modèles d’écoulement.
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The processes based upon the particle fluidization technique have met with considerable success due to two major applications: catalytic reactions and coal combustion. In both cases, the low pressure loss of fluidized beds and the possibility to replace the solid phase permanently were the two decisive factors for this choice. This article firstly differentiates between the circulating fluidized beds regime and the entrained fluidized beds regime. The term circulating fluidized bed (CFB) is used for all regimes allowing for the transportation and recirculation of the solid phase. The various components of a CFB are described and parameters such as the recirculation rate, the particle density and the various flow models.
Auteur(s)
-
Khalil SHAKOURZADEH : Docteur d'État ès sciences physiques - Enseignant-chercheur au Département de génie des procédés industriels de l'université de technologie de Compiègne
INTRODUCTION
Les procédés utilisant la technique de la fluidisation rapide des particules ont connu un véritable succès grâce à deux applications majeures : les réactions catalytiques [procédé FCC (Fluid Catalytic Cracking)] en particulier et la combustion du charbon. Dans les deux cas, la faible perte de charge des lits fluidisés (comparée à celle des lits fixes) et la possibilité de remplacement permanent de la phase solide ont été les deux facteurs décisifs du choix de ce type de dispositif. Ces applications ont été aussi développées dans le régime de fluidisation « bouillonnante » dont un descriptif relativement détaillé est donné dans l'article .
Dans cet exposé, nous allons nous intéresser plus précisément à l'aspect de la fluidisation à forte vitesse où, contrairement à la fluidisation bouillonnante, la phase gazeuse devient continue et des paquets de particules forment la phase dispersée. Comme nous allons le voir dans le premier paragraphe, ce phénomène se produit quand on dépasse la vitesse terminale de chute libre des particules (Ut ). Dans ces conditions, les particules entraînées quittent le lit fluidisé avec le courant gazeux. Pour maintenir la concentration du solide dans le lit fluidisé, les particules sont récupérées dans des dispositifs annexes et réintroduites à la base du lit. Ainsi, un nouveau régime de fluidisation s'établit.
On appelle ce régime le lit transporté et le système composé du lit et du dispositif de recirculation est appelé couramment le lit fluidisé circulant ou LFC.
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Taux de recirculation et bilan de population
En anglais
5. Différentes composantes d'un LFC
5.1 Grille de fluidisation
Les LFC comprennent en général une grille d'introduction de la phase porteuse (i.e., le fluide) dont le rôle est essentiellement une distribution uniforme du gaz sur la section de la colonne. Dans certains types de risers pétroliers, la grille est remplacée par une buse d'injection projetant des fines gouttelettes de pétrole qui se vaporisent au contact du catalyseur chaud venant du lit externe. Pour les autres types de LFC, la grille de distribution est similaire à celle des lits fluidisés bouillonnants. Étant donné les vitesses de fluidisation nettement plus grandes pour les LFC, il faut soit utiliser des tuyères avec des trous plus larges (plusieurs millimètres) pour éviter une multiplication du nombre des tuyères, soit accepter de fonctionner avec une plus grande perte de charge, à savoir supérieure à la valeur de 3 400 Pa qui est considérée comme la limite inférieure admissible (cf. article ).
HAUT DE PAGE5.2 Élévateur
La partie commune à tous les lits fluidisés circulants est l'élévateur, principal siège de toutes les transformations de la matière, à savoir réaction chimique, calcination, séchage, etc. Il est donc naturellement la partie la plus importante du LFC dont le comportement hydrodynamique influe fortement sur les performances du procédé. Quel que soit le procédé utilisant cette technologie, les profils de concentration en particules solides et ceux des vitesses locales d'écoulement de chaque phase jouent un rôle déterminant dans le fonctionnement global du système. Par ailleurs, on peut choisir, selon la plage de vitesse de fluidisation, une structure d'écoulement qui convient mieux pour chaque type d'application.
Exemple : comme nous l'avons vu, les risers du procédé FCC sont dimensionnés avec une grande vitesse d'écoulement pour éviter une désactivation importante du catalyseur lors de sa montée.
Par contre, les LFC utilisés pour la combustion du charbon fonctionnent à des vitesses nettement plus faibles pour augmenter le temps de séjour des particules en combustion et charger le système avec une relativement forte concentration en particules. Cela permet aussi d'obtenir un meilleur coefficient d'échange de chaleur à la paroi du lit.
En plus de l'air introduit au niveau de la grille de fluidisation,...
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Différentes composantes d'un LFC
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Gas Fluidization Technology - Éd. D. Geldart, J. Wiley & Sons (1986).
-
(2) - SHAKOURZADEH (K.) - Techniques de fluidisation - Éditions T.I. Techniques de l'Ingénieur [J 3 390]. Base documentaire « Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique » (2002).
-
(3) - BERRUTI (F.), KALOGERAKIS (N.) - Modelling the internal flow structure of circulating fluidized beds - The Can. J. of Chem. Eng., 67, p. 1 010-1 014 (1989).
-
(4) - PUGSLEY (T.S.), BERRUTI (F.) - A predictive hydrodynamic model for circulating fluidized bed risers - Powder Technology 89, p. 57-69 (1996).
-
(5) - PATIENCE (G.S.), CHAOUKI (J.) - Gas phase hydrodynamics in the riser of a circulating fluidized bed - Chemical Engineering Science, vol. 48, issue 18, p. 3 195-3 205 (sept. 1993).
-
(6) - NIEUWLAND...
ANNEXES
(liste non exhaustive)
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La réunion la plus importante est la conférence internationale CFB (International Conference on Circulating Fluidized Beds).
Cette conférence se tient tous les deux ans.
La neuvième édition a eu lieu du 13 au 16 mai 2008 à Hambourg ( http://www.cfb9.org ).
Cette série de conférences a débuté en 1985 à Halifax (Canada). Elle traite aussi bien des aspects fondamentaux que des applications concernant les systèmes à lits fluidisés circulants.
Une des caractéristiques particulières de cette conférence est qu'elle réunit en nombre égal des industriels et des universitaires.
-
En parallèle avec le 9e CFB se tient le 4e VGB Workshop « Operating Experience with Fluidized Bed Fering System ».
La première édition a eu lieu en 2002 à Cologne (Allemagne). Ces Workshops sont organisés par l'association VGB Powertech ( http://www.vgb.org ).
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D'autres petits congrès s'organisent un peu partout dans le monde mais d'une manière ponctuelle. Ils n'ont pas de portée internationale.
(liste non exhaustive)
Les logiciels de calcul les plus utilisés sont :
ERGUN pour le design des lits fluidisés circulants ( http://www.utc.fr/ergun).
CFBCAD pour le design des chaudières à...
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