Hydrodynamics of a Gas-Solid Fluidized Bed at High Temperature in the Presence of Interparticles Forces

Les lits fluidisés gaz-solide sont utilisés dans un large éventail d'applications industrielles en particulier dans le cas de réactions exothermiques telles le craquage et la régénération catalytique dans le raffinage du pétrole (procédé FCC), les synthèses par oxydation partielle, la chlorination d'oxydes métalliques, la polymérisation en phase gazeuse, la combustion et la gazéification du charbon, de déchets et de biomasse. La manutention facile des solides combinée à un bon mélange de solide au sein du lit fluidisé procure aux lits fluidisés une température uniforme et une capacité intéressante de transfert de chaleur en comparaison aux autres types de réacteurs. De plus, un taux de transfert de matière élevé et une faible perte de charge contribuent à la popularité des lits fluidisés dans l'industrie. À l'échelle industrielle, les lits fluidisés sont généralement opérés à des températures élevées pour lesquelles les propriétés de transfert, des paramètres importants dans le comportement hydrodynamique, diffèrent de celles aux conditions ambiantes. Cependant, les connaissances actuelles en ce qui a trait à l'hydrodynamique des lits fluidisés opérés a température élevée sont loin d'être satisfaisantes, i.e. données insuffisantes, résultats parfois conflictuels et controversés. La source principale de cette controverse réside dans la difficulté à déterminer l'importance relative des forces interparticulaires (FIPs) et des forces hydrodynamiques (FHDs). Une attention particulière à l'évolution des FIPs est importante en raison de la tendance globale à utiliser des matières premières de qualité inférieure (e.g. charbon à haute teneur en cendres; déchets; cultures énergétiques), reconnue comme menant à la formation d'eutectiques à faible point de fusion. La présence de tels eutectiques au sein du lit fluidisé augmente les FIPs attractives ce qui peut détériorer la qualité de la fluidisation en raison de l'agglomération des particules; dans les cas extrêmes peut mener à la défluidisation du lit. Le présent travail porte sur la caractérisation hydrodynamique des lits fluidisés gaz-solides à haute température en présence de FIPs. En raison du manque d'instruments de mesure convenables à température élevée, nous avons divisé l'étude en deux parties. La première partie visait l'investigation du comportement hydrodynamique local et global d'un lit fluidisé gaz-solide à température quasi ambiantes sujet à différentes intensités de FIPs au moyen de techniques de mesures variées. Dans la seconde partie de l'étude, le comportement hydrodynamique du lit a été observé à des températures élevées au moyen de techniques de mesures robustes (pression et température) alors que des sources de FIPs de différentes intensités étaient délibérément introduites dans le lit constitué de particules grossières. Au cours de la première partie du travail, les FIPs attractives ont été augmentées en ajustées dans une lit fluidisé gaz-solide au moyen de l'approche par enrobage de polymère. Cette approche consiste à enrober des particules inertes sphériques au moyen d'un polymère ayant une température de transition vitreuse faible. L'intensité des FIPs résultantes varie en fonction de la température d'opération du lit fluidisé. Ainsi le lit fluidisé a été opéré à des températures avoisinant la température de transition vitreuse soit entre 20 et 40°C. Cette plage de température modeste a permis l'emploi d'une plus grande variété de techniques de mesure fiables (e.g. capteur de pression, sonde a fibre optique, poursuite d'une particule radioactive) afin de caractériser le comportement hydrodynamique en fonction des FIPs. La fluidisation des particules a été effectuée à des vite4sses superficielles allant du lit fixe au régime turbulent. Des billes de sucre, appartenant à température ambiante et sans enrobage au groupe B selon la classification de Geldart ont été choisi comme particule de référence avec les forces FIPs minimales. Dans le cas des particules enrobées, une couche uniforme d'environ 5 μm de co-polymère PMMA/PEA (poly methyl methacrylate/poly ethyl acrylate). Les mesures de paramètres hydrodynamiques globaux : perte de charge totale, hauteur du lit fluidisé et différents signaux de pression ont montré que l'augmentation de l'intensité des FIPs pouvait altérer le comportement depuis le comportement de particules de type groupe B selon Geldart à des ^particules de groupe A ou même C. Avec l'augmentation des FIPs, on note une augmentation de la perméabilité en lit fixe, de la vitesse minimale de fluidisation (Umf), de la transition au régime turbulent (Uc), et de la tendance du gaz de fluidisation à passer dans la phase d'émulsion. Inversement, la probabilité de passage de bulles dans le lit fluidisé diminue en fonction des FIPs. Un lit ayant des FIPs faibles à moyennes contient des bulles de plus petite taille lorsque fluidisé à de faible à moyenne vitesse de fluidisation dans le régime à bulle. Cependant en raison de l'augmentation du taux de croissance des bulles en fonction de la vitesse superficielle de fluidisation (Ug) à des intensités de FIPS moyennes à élevées, des bulles plus larges sont observées à des vitesse superficielles approchant et au-delà de Uc,NoIPFs.

Abstract

Gas-solid fluidized beds are applied for a broad variety of applications in the chemical industry, such as fluidized catalytic cracking (FCC) including catalytic regeneration and other strongly exothermal processes, chlorination of metal oxides, gas-phase polymerization, and combustion or gasification of coal, waste, and biomass. Easy solids handling and good solids mixing, yielding a comparatively uniform temperature and an efficient heat exchange, high mass transfer, and low bed pressure drop are among the interesting features of these units that make them popular in industry. They are usually operated at high temperature. The hydrodynamics of gas-solid fluidized beds at thermal levels well above ambient directly affect the transfer phenomena and, thus, is a critical factor for their design and operation. Nevertheless, the present understanding of the fluidization characteristics of these systems at high temperature is far from satisfactory, i.e., findings are still controversial. The major source of this controversy is attributed to the lack of insight about the relative importance of interparticle forces (IPFs) and hydrodynamic forces (HDFs). Attention to the evolution of IPFs at elevated temperatures is important owing to the global trend to employ lower quality feedstock (e.g., high ash content coal, energy crops, and waste), known to introduce species that can result in the accumulation of low melting point eutectics. The presence of these low melting point eutectics at high temperature favor particle-particle agglomeration in the bed. In extreme cases, IPFs can fully deteriorate the fluidization state of the particles due to ongoing agglomeration, leading to complete defluidization. This research, therefore, focuses on the hydrodynamic characterization of gas-solids fluidized beds at high temperature in the presence of IPFs. Due to a lack of proper measurement techniques at elevated temperatures, we approached this study by dividing it into two parts. The first part was aimed at exploring the fluidization behavior of a gas-solid fluidized bed at different levels of IPFs from global and local points of view. The second part focused on the hydrodynamic characterization of a gas-solid fluidized bed at high temperature while different levels of IPFs were deliberately introduced into a bed of otherwise fresh coarse particles. The level of cohesive IPFs was increased and adjusted in a gas-solid fluidized bed with a polymer coating approach in the first part of the study. This technique is based on coating spherical inert particles with a polymer material having a low glass transition temperature in the primary step. Since the level of IPFs achieved by this method depends on the temperature of the coated particles, they were subsequently adopted in a gas-solid fluidized bed operated at varying temperatures near the glass transition temperature of the polymer, i.e., between 20–40oC. This allowed for the investigation of the effect of IPFs on the fluidization behavior of a gas-solid fluidized bed in a much friendlier environment than the conditions of a gas-solid fluidized bed at high temperature. Therefore, different reliable and accurate measurement techniques, i.e., pressure transducers, an optical fiber probe, and the radioactive particle tracking (RPT) technique, were employed for the purpose of a comprehensive hydrodynamic study. The fluidization study was attempted at different superficial gas velocities covering the fixed bed state, bubbling, and turbulent fluidization regimes. Sugar beads that belong to Geldart group B powders, referred to the fluidization behavior at ambient conditions, were adopted as the base system for which the level of IPFs was at minimum. The thickness of the uniform coating layer, i.e., PMMA/PEA (poly methyl methacrylate/poly ethyl acrylate) copolymer, was approximately 5 μm for the coated particles. The measurements of global hydrodynamic parameters, including the total bed pressure drop profile, bed height, and different types of pressure signals, demonstrated that increasing the level of IPFs could shift the fluidization behavior of a given powder representing typical Geldart group B behavior into Geldart group A or even C behavior and increase the fixed bed permeability, the minimum fluidization velocity (Umf), the transition velocity from bubbling to turbulent fluidization regime (Uc), and the propensity of the fluidizing gas to pass through a bubbling bed in the emulsion phase. Also, the passage frequency of bubbles within the bed decreased with IPFs. A bed with a low/moderate level of IPFs contained slightly smaller bubbles at low to moderate superficial gas velocities in the bubbling fluidization regime. However, due to an increased growth rate of bubble size with the superficial gas velocity (Ug) at a moderate/high level of IPFs, larger bubbles were present in the bed at gas velocities approaching and above Uc,NoIPFs.