Multi-Scale Modeling of Adhesion Forces in Gas-Solid Fluidized Beds

Divers secteurs industriels, principalement les processus chimiques et pétrochimiques, utilisent largement des réacteurs à lit fluidisé gaz-solide. Le développement de modèles capables de prédire les divers phénomènes de transport au sein d’un lit fluidisé gaz-solide est crucial pour sa conception, son optimisation et sa mise à l’échelle. Les forces interparticulaires affectent l’hydrodynamique du lit fluidisé et son efficacité opérationnelle. L’omission des forces inter-particulaires est l’un des principaux points de désaccord entre les chercheurs dans l’analyse de l’hydrodynamique des lits fluidisés gaz-solide. Cette recherche doctorale vise à développer une fermeture de contrainte pour un modèle macroscopique qui prend en compte l’influence des forces de Van der Waals interparticulaires afin de prédire le comportement de fluidification observé dans les expériences pratiques. Nous avons utilisé une approche de modélisation multi-échelle pour atteindre cet objectif. Le dépassement de la chute de pression du lit à la vitesse minimale de fluidisation, qui se produit pendant la transition d’un état de lit fixe à un état de lit fluidisé, est un phénomène courant pour les particules fines classées dans le groupe A selon la classification de Gel-dart. Ces particules présentent une hystérésis entre les courbes de chute de pression pour les trajectoires de vitesse de gaz décroissante et croissante. Cette étude utilise deux mod-èles de pression de particules adhésives dans des simulations de modèles à deux fluides pour incorporer l’influence de la force de Van der Waals interparticulaire, dans le but de prédire le dépassement de la pression. Le premier modèle de pression adhésive, développé dans le cadre de la théorie cinétique des écoulements granulaires rapides, n’a pas réussi à capturer le dépassement en raison de la prévalence de contacts multiples et prolongés dans les lits fixes. Nous avons proposé une fermeture alternative basée sur le nombre de coordination, générant une contribution adhésive significativement plus élevée que le modèle de la théorie cinétique et reproduisant avec succès le dépassement de la chute de pression.

Abstract

arious industrial sectors, mainly chemical and petrochemical processes, extensively employ gas-solid fluidized bed reactors. Developing models capable of predicting the diverse trans-port phenomena within a gas-solid fluidized bed is crucial for its design, optimization, and upscaling. Interparticle forces affect fluidized bed hydrodynamics and operational efficacy. The omission of interparticle forces is a primary point of contention among researchers in analyzing gas-solid fluidized bed hydrodynamics. This doctoral research aims to develop a stress closure for a macroscopic model that con-siders the influence of interparticle Van der Waals forces to predict the fluidization behavior witnessed in practical experiments. We employed a multi-scale modeling approach to achieve this goal. The overshoot in bed pressure drop at the minimum fluidization velocity, occurring during the transition from a fixed to a fluidized bed state, is a common phenomenon for fine particles categorized under Group A according to Geldart’s classification. These particles exhibit hysteresis between the pressure drop curves for the decreasing and increasing gas velocity paths. This study employs two adhesive particle pressure models within two-fluid model simulations to incorporate the influence of interparticle Van der Waals force, aiming to predict the pressure overshoot. The first adhesive pressure model, developed within the kinetic theory of rapid granular flows framework, failed to capture the overshoot due to the prevalence of multiple and prolonged contacts in fixed beds. We proposed an alternative closure based on coordination number, generating a significantly higher adhesive contribution than the kinetic theory model and successfully reproducing the pressure drop overshoot.