Indirect Measurement of Inter-Particle Forces in a Gas-Solid Fluidized Bed at High Temperature with a Simple Approach

Le procédé de fluidisation est largement utilisé dans une multitude d'applications et de procédés chimiques et ceci grâce aux avantages qu'il procure tels qu'un traitement facile de la phase solide, une grande qualité de mélangeage des particules solides, un transfert de matière favorisé, une distribution uniforme de la température et une chute de pression réduite. Tous ces avantages rendent la fluidisation un grand concurrent aux réacteurs à lit fixe où tiennent lieu des procédés similaires. Cependant, l'hydrodynamique d'un tel système à hautes température n'est pas bien maitrisée et ceci dû à l'impact des niveaux élevés des forces inter particulaires (FIPs) dans des conditions extrêmes. En d'autres termes, la plupart des modèles et corrélations basées sur l'hydrodynamique et qui sont utilisées n'arrivent pas à prédire correctement les paramètres hydrodynamiques obtenus expérimentalement tels que la vitesse minimale de fluidisation Umf et la vitesse du régime critique Uc car ces modèles et corrélations négligent le rôle des forces inter particulaires à hautes températures. En d'autre part, la demande globale pousse les industriels à utiliser de plus en plus des matières premières de mauvaise qualité et qui ont une grande tendance à causer les phénomènes d'agglomération et de défluidisation à cause des niveaux élevés des forces inter particulaires. Ainsi, l'objectif de ce projet de recherche est d'introduire une nouvelle et simple méthode pour estimer les forces inter particulaires à hautes températures. Comme première étape, nous avons mis le point sur l'effet de la viscosité et la densité de gaz sur l'hydrodynamique du lit comme Umf, le comportement des bulles et Uc quand le rôle des forces inter particulaires à régir l'hydrodynamique du lit est perceptible. Ceci a été réalisé en mesurant Umf et Uc pour différentes températures allant de la température ambiante jusqu'à 650 ºC en utilisant l'air et l'argon comme différentes phases gazeuses et le FCC, les billes de verre, et du sable siliceux grossier et fin comme différentes phases solides. Ces dernières ont différents points de fusion et appartiennent à Geldart A ou B en considérant leur tailles et masse volumiques. Nous avons démontré que pour le sable siliceux fin et grossier l'effet de la température sur les valeurs de Umf et Uc et qui est liée directement à son effet direct sur les propriétés du gaz et le niveau des forces hydrodynamiques FHDs peut être estimé correctement par les corrélations basées sur l'hydrodynamique. Cependant, nous avons trouvé que pour FCC et les billes de verre, les corrélations hydrodynamiques n'arrivent pas à prédire correctement les valeurs de Umf et Uc obtenues expérimentalement et ceci dû à l'effet significatif des forces inter particulaires. Nous avons aussi démontré que l'ordre de grandeur des forces inter particulaires peut être estimé en faisant la différence entre la valeur de la force de trainée calculée sur la base de Umf mesurée expérimentalement et la valeur de la force de trainée obtenue pour Umf estimée par des considérations purement hydrodynamiques pour une certaine température. Nous avons aussi validé notre estimation en mesurant la hauteur et l'aire sous le pic du graphe qui représente la chute de pression totale du lit en fonction de la vitesse superficielle du gaz pour les billes de verre et les particules FCC. Les résultats démontrent que les forces inter particulaires FIPs jouent un rôle plus important pour des particules qui ont un point de fusion plus bas en considérant la température de fonctionnement et cet effet peut être réduit en exerçant des forces hydrodynamiques plus élevées sur les particules, en l'occurrence, dans le cas de la fluidisation par l'argon. Nous avons aussi expliqué la variation de Uc en fonction de la température en soulignant l'effet de la température sur le comportement bouillonnant de lits de différents matériaux en considérant le ration FIPs/FHDs. Nous avons trouvé que la taille des bulles et la résistance de la phase d'émulsion à la rupture sont les paramètres principaux qui déterminent la vitesse de transition du gaz.

Abstract

Fluidization process is being broadly used for numerous applications and chemical processes owing to the easy solids handling, high quality mixing of solids, promoted mass transfer, uniform temperature distribution and reduced pressure drop which makes it a promising competitor for similar processes using fixed bed reactors. However, the hydrodynamics of such a system at elevated temperatures is not well understood due to the impact of elevated levels of inter-particle forces (IPFs) at extreme conditions. In other words, most of the available hydrodynamic based models and correlations fail to predict the experimentally obtained hydrodynamic parameters such as Umf and Uc due to neglecting the important role of IPFs at high temperatures. On the other hand, the global demand pushes the industries to increasingly use low quality feedstocks which have higher tendency toward agglomeration and defluidization because of an increased level of IPFs. Thus, in this research our focus is on introducing a new and simple method of estimation of IPFs at high temperature. As a first step, we highlighted the influence of gas viscosity and density on the bed hydrodynamics such as Umf, bubble behavior and Uc when the role of IPFs in governing the bed hydrodynamics was not discernible. We did so by measuring Umf and Uc at different temperatures from ambient to 650 ºC using air and argon for FCC (86µm), glass beads (71µm), fine (226µm) and coarse silica sand (820µm) particles with different melting points belonging to Geldart group A and B considering their size and density. We showed that for coarse and fine silica sand particles the value of Umf and Uc change by temperature depending on its effect on the gas properties and the magnuitude of HDFs and this trend can be well predicted by the hydrodynamic based correlations. However, we found that for glass beads and FCC particles the experimentally measured Umf and Uc can not be well predicted by the hydrodynamic based correlations due to the significant effect of IPFs. We also showed that by subtracting the values of drag force calculated at the experimentally measured Umf and the one obtained at predicted Umf by purely hydrodynamic considerations we can estimate the magnitude of IPF that is present in the system at a certain temperature. We also validated our estimation by measuring the height and the area of the peak in the plot of total bed pressure drop against increasing superficial gas velocity for glass beads and FCC particles. The results showed that IPFs plays a more important role for particles with lower melting point considering the operating temperature and this effect would be reduced when higher drag force is applied on the particles i.e. in the case of fluidization with argon. We also explained the variation of Uc by temperature by explaining the effect of temperature on the bubbling behaviour of beds of different materials considering the ratio of IPFs/HDFs. We found the bubble size and the resistance of the emulsion phase against break-up to be the main parameters to define the transition gas velocity.