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.