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.