Hydrodynamique des jets de gaz orientés vers le haut et vers le bas dans les lits fluidisés gaz-solide

L'injection de gaz dans un lit fluidisé peut mener à la formation de "jets" qui sont caractérisés par leurs hauts taux de transfert de quantité de mouvement, de matière et d'énergie. Ces jets peuvent s'avérer importants sur la performance des réacteurs à lit fluidisés, cependant, malgré plusieurs études antérieures ayant traité des jets dans les lits fluidisés, la compréhension du phénomène est insuffisante afin de rendre le dimensionnement des systèmes d'alimentation une tâche facile. En particulier, le niveau de connaissance en ce qui a trait aux buses d'injection orientées vers le bas est limité et l'avantage d'un choix d'orientation sur la performance des réacteurs n'est pas bien établi. Les travaux accomplis dans la réalisation de cette thèse ont principalement visé le développement de nouvelles techniques de mesure pour la caractérisation de jets. Ces approches ont ciblé deux aspects importants reliés aux jets dans les lits fluidisés: le mélange entre le gaz du lit et le gaz du jet, et les frontières du jet. L'hypothèse a été posée que le mélange gaz–gaz pouvait être quantifié au moyen de radiotraceur, communément utilisé dans l'analyse de distribution des temps de séjour. Une étape préliminaire d'évaluation a permis de mettre en évidence que la technique de mesure était caractérisée par une distribution non uniforme de l'efficacité du détecteur en raison du facteur de vue (angle solide) et de l'atténuation des rayons gamma dans le milieu étudié. En combinaison avec l'incertitude associée à la forme et les forts gradients de vitesse et de concentration au coeur même d'un lit contenant un jet isolé, la technique a été jugée trop risquée pour permettre son implémentation dans le contexte des jets. Les travaux initiés ont été appliqués à l'analyse de la technique de radiotraceurs dans l'étude de distributions des temps de séjour. L'analyse à permis de mettre en évidence une forte dépendance de la distribution de l'efficacité du détecteur et les courbes obtenus lors des essais par radiotraceurs et a mené à des recommandations clées, afin d'éviter des artifices introduits par le détecteur même. 1) Il est important d'identifier et de calibrer le modèle de comptage du détecteur afin de linéariser les comptes obtenus. Ce modèle permet de prédire si le détecteur est sujet à saturation et d'établir l'activité maximale de traceur qui peut être employée. 2) Le détecteur peut introduire une dispersion axiale artificielle en raison de la distribution axiale de son efficacité. Les erreurs de mesure associées à la distribution axiale ont été corrélées, ce qui permet d'en estimer la contribution ou de corriger la configuration du détecteur. 3) La vi distribution radiale de l'efficacité du détecteur affecte les résultats obtenus lorsque couplés à des gradients radiaux de radiotraceurs. Un trop fort gradient radial implique que le détecteur ne rapporte que les rayons gamma qui sont émis à proximité, ce qui introduit un biais considérable lorsqu'il y a un profil radial de concentration. De la même façon, l'erreur associée au biais radial a été corrélée afin d'estimer ou de rectifier l'influence de la configuration du détecteur. La structure gaz–solide à proximité d'une buse d'injection a été étudiée au moyen d'une sonde fibre optique. En utilisant une approche par balayage de vitesse pour une sonde positionnée en un point fixe par rapport à la buse d'injection, des vitesses de transitions, auxquelles correspondent les grandeurs caractéristiques des jets définies par Knowlton et Hirsan (1980), ont été trouvées. L'influence de la vitesse d'injection sur la structure locale gaz–solide (fraction de solide moyenne, fraction de solide dans la phase diluée, fraction de phase diluée, fréquence de cycle des phases) donne lieu à des tendances linéaires avec des vitesses de transition communes. L'injection vers le haut mène à trois vitesses de transition correspondant à b L , max L et min L , tandis que l'injection vers le bas et à l'horizontal mène à deux vitesses de transition correspondant à max L et min L . Les vitesses de transition obtenues pour les jets vers les bas et horizontaux sont de grandeurs comparables, tandis que pour les jets vers le haut elles sont plus faibles. L'influence de la distance séparant l'injecteur de la sonde à fibre optique a été étudié pour les jets vers le bas et ont montré que lorsque elle accrue, les vitesses de transition augmentent. La fréquence de pulsation du jet vers le bas a été estimée à 1-1.5 Hz. Au moyen de l'approche de mesure par fibre optique, une batterie de tests a été entreprise sur des jets orientés vers le haut et vers le bas dans un lit fluidisé. Plusieurs paramètres expérimentaux ont été étudiés: orientation du jet, diamètre de l'orifice, nature du gaz injecté, type de particule, vitesse superficielle et la hauteur du lit. Il a été trouvé que l'orientation, la vitesse d'injection et la densité du gaz injecté étaient les paramètres les plus importants sur la longueur de pénétration des jets. Les résultats ont été exploités dans l'élaboration de cinq nouvelles corrélations, permettant d'estimer les diverses longueurs caractéristiques des jets orientés vers le haut et vers le bas. Les corrélations obtenues par construction statistique ont montré une forme différente pour les deux orientations étudiées. L'analyse des corrélations obtenues suggère que pour les jets orientés vers le haut, la dissipation de la quantité de mouvement est due aux forces gravitationnelles, tandis que pour les jets orientés vers le bas, l'entrainement du gaz de fluidisation dans le jet domine. vii Dans la majorité des cas, l'augmentation de la vitesse superficielle résulte en des jets plus courts. Les nouvelles corrélations retenues pour les jets vers le haut ont été favorablement comparées à des données obtenues sur des lits fluidisés opérant à haute pression, ce qui suggère une bonne robustesse, même lorsqu'extrapolées à des conditions qui diffèrent significativement des conditions de base.

Abstract

The injection of gas in a fluidized bed may lead to the formation of so-called jets which are characterized by enhanced momentum, mass and energy transfer. Such jets may prove important to the overall performance of fluidized reactors. Although several investigations dedicated to the study of gas jets in fluidized beds have been performed, the general comprehension is often too limited to trivialize the design of injection systems. In particular, the level of knowledge that exists about the injection of downward pointing nozzles is very limited and it is unclear what the impact of nozzle orientation is on the overall reactor performance. The study described herein focused on the development and implementation of new experimental approaches that can be used to further advance the knowledge of gas jets in fluidized beds. Two important aspects of the jet in fluidized beds were targeted as part of the investigation: the gas– gas mixing resulting from the injection of high momentum jets and the physical boundary of the jet. It was hypothesized that the gas–gas mixing associated with the jet could be evaluated using a radiotracer technique similar to the one used in residence time experiments. An effort was initiated to evaluate the expected performance of such a technique. It was found that the solidangle (view factor) and the medium attenuation introduced significant non-uniformity in the detector efficiency distribution. In combination with an uncertain jet shape and strong velocity profile, the technique was deemed too uncertain to pursue. The findings relative to the detector efficiency distribution were however, preserved and implemented in a model based analysis of radiotracers in residence time distribution. The analysis highlighted the strong dependence between the detector efficiency distributions and the response curves obtained. The investigation provides key recommendations: 1) the detector counting model must be determined before hand and calibrated in order to avoid non linear responses. This allows for the maximum tracer activities to be determined to avoid saturating the detectors; 2) the axial spread of the detector efficiency distribution can introduce artificial axial dispersion in the response curves. The error associated with this axial distribution can be estimated from correlated performance data and corrective measures can be implemented with respect to the detector configuration. 3) the radial range of the detector efficiency distribution can result in the effective measurement of the tracer within a narrow range from the detector, any flow model that considers radial velocity and ix concentration profiles will be unable to yield satisfactory responses and parameter evaluation. As for the axial spread effect, the radial range was correlated with model data in order to provide an estimate of the error associated with the measurement and corrective measures to be implemented. The gas–solid structure in the vicinity of a sparger nozzle was investigated using a fiber-optic probe. Using a fixed probe location, and applying a velocity sweep, transition velocities associated with the characteristic jet penetration lengths proposed by Knowlton and Hirsan (1980) could be found. The influence of the injection velocity with respect to the gas–solid structure (average solid holdup, average dilute phase solid holdup, dilute phase fraction, phase changeover frequency) showed nearly linear behavior and common transition velocities. An upward nozzle yields three transition velocities corresponding to b L , max L and min L . Downward and horizontal nozzles lead to two transition velocities corresponding to max L and min L and of similar magnitude, while the upward nozzle has significantly lower transition velocities. The influence of the distance between the injection point and the fiber-optic probe were investigated for the downward injection and showed that as the distance increased, the transition velocities increased. The frequency of the pulsating jet for the downward nozzle was estimated at 1-1.5 Hz. Using the fiber-optic probe, an experimental plan was implemented to investigate the jet penetration length of upward and downward jets in fluidized beds. A wide range of operating variables was considered: nozzle orientation, injector diameter, injected gas, particle type, superficial velocity and bed height. Nozzle orientation, injection velocity and injected gas density were found to be the most influent parameters. The results were used to develop five new correlations for the prediction of the various jet penetration lengths with the upward and downward injection. The correlations obtained from statistical construction differed with respect to the injection orientation. Analysis of the resulting correlations suggested that for the upward injection, gravitational forces are responsible for the momentum dissipation, while for the downward nozzle the gas entrainment dominates. In most cases, the jet penetration lengths decrease when the superficial velocity is increased. The new correlations retained for the upward injection were compared favorably with data from high pressure operation which suggests robustness to out of range applications.