Hydrodynamique des jets de gaz orientés vers le haut et vers le bas dans les lits fluidisés gaz-solide

L'injection de gaz dans un lit fluidisé peut mener à la formation de "jets" qui sont caractérisés par leurs hauts taux de transfert de quantité de mouvement, de matière et d'énergie. Ces jets peuvent s'avérer importants sur la performance des réacteurs à lit fluidisés, cependant, malgré plusieurs études antérieures ayant traité des jets dans les lits fluidisés, la compréhension du phénomène est insuffisante afin de rendre le dimensionnement des systèmes d'alimentation une tâche facile. En particulier, le niveau de connaissance en ce qui a trait aux buses d'injection orientées vers le bas est limité et l'avantage d'un choix d'orientation sur la performance des réacteurs n'est pas bien établi. Les travaux accomplis dans la réalisation de cette thèse ont principalement visé le développement de nouvelles techniques de mesure pour la caractérisation de jets. Ces approches ont ciblé deux aspects importants reliés aux jets dans les lits fluidisés: le mélange entre le gaz du lit et le gaz du jet, et les frontières du jet. L'hypothèse a été posée que le mélange gaz–gaz pouvait être quantifié au moyen de radiotraceur, communément utilisé dans l'analyse de distribution des temps de séjour. Une étape préliminaire d'évaluation a permis de mettre en évidence que la technique de mesure était caractérisée par une distribution non uniforme de l'efficacité du détecteur en raison du facteur de vue (angle solide) et de l'atténuation des rayons gamma dans le milieu étudié. En combinaison avec l'incertitude associée à la forme et les forts gradients de vitesse et de concentration au coeur même d'un lit contenant un jet isolé, la technique a été jugée trop risquée pour permettre son implémentation dans le contexte des jets. Les travaux initiés ont été appliqués à l'analyse de la technique de radiotraceurs dans l'étude de distributions des temps de séjour. L'analyse à permis de mettre en évidence une forte dépendance de la distribution de l'efficacité du détecteur et les courbes obtenus lors des essais par radiotraceurs et a mené à des recommandations clées, afin d'éviter des artifices introduits par le détecteur même. 1) Il est important d'identifier et de calibrer le modèle de comptage du détecteur afin de linéariser les comptes obtenus. Ce modèle permet de prédire si le détecteur est sujet à saturation et d'établir l'activité maximale de traceur qui peut être employée. 2) Le détecteur peut introduire une dispersion axiale artificielle en raison de la distribution axiale de son efficacité. Les erreurs de mesure associées à la distribution axiale ont été corrélées, ce qui permet d'en estimer la contribution ou de corriger la configuration du détecteur. 3) La vi distribution radiale de l'efficacité du détecteur affecte les résultats obtenus lorsque couplés à des gradients radiaux de radiotraceurs. Un trop fort gradient radial implique que le détecteur ne rapporte que les rayons gamma qui sont émis à proximité, ce qui introduit un biais considérable lorsqu'il y a un profil radial de concentration. De la même façon, l'erreur associée au biais radial a été corrélée afin d'estimer ou de rectifier l'influence de la configuration du détecteur. La structure gaz–solide à proximité d'une buse d'injection a été étudiée au moyen d'une sonde fibre optique. En utilisant une approche par balayage de vitesse pour une sonde positionnée en un point fixe par rapport à la buse d'injection, des vitesses de transitions, auxquelles correspondent les grandeurs caractéristiques des jets définies par Knowlton et Hirsan (1980), ont été trouvées. L'influence de la vitesse d'injection sur la structure locale gaz–solide (fraction de solide moyenne, fraction de solide dans la phase diluée, fraction de phase diluée, fréquence de cycle des phases) donne lieu à des tendances linéaires avec des vitesses de transition communes. L'injection vers le haut mène à trois vitesses de transition correspondant à b L , max L et min L , tandis que l'injection vers le bas et à l'horizontal mène à deux vitesses de transition correspondant à max L et min L . Les vitesses de transition obtenues pour les jets vers les bas et horizontaux sont de grandeurs comparables, tandis que pour les jets vers le haut elles sont plus faibles. L'influence de la distance séparant l'injecteur de la sonde à fibre optique a été étudié pour les jets vers le bas et ont montré que lorsque elle accrue, les vitesses de transition augmentent. La fréquence de pulsation du jet vers le bas a été estimée à 1-1.5 Hz. Au moyen de l'approche de mesure par fibre optique, une batterie de tests a été entreprise sur des jets orientés vers le haut et vers le bas dans un lit fluidisé. Plusieurs paramètres expérimentaux ont été étudiés: orientation du jet, diamètre de l'orifice, nature du gaz injecté, type de particule, vitesse superficielle et la hauteur du lit. Il a été trouvé que l'orientation, la vitesse d'injection et la densité du gaz injecté étaient les paramètres les plus importants sur la longueur de pénétration des jets. Les résultats ont été exploités dans l'élaboration de cinq nouvelles corrélations, permettant d'estimer les diverses longueurs caractéristiques des jets orientés vers le haut et vers le bas. Les corrélations obtenues par construction statistique ont montré une forme différente pour les deux orientations étudiées. L'analyse des corrélations obtenues suggère que pour les jets orientés vers le haut, la dissipation de la quantité de mouvement est due aux forces gravitationnelles, tandis que pour les jets orientés vers le bas, l'entrainement du gaz de fluidisation dans le jet domine. vii Dans la majorité des cas, l'augmentation de la vitesse superficielle résulte en des jets plus courts. Les nouvelles corrélations retenues pour les jets vers le haut ont été favorablement comparées à des données obtenues sur des lits fluidisés opérant à haute pression, ce qui suggère une bonne robustesse, même lorsqu'extrapolées à des conditions qui diffèrent significativement des conditions de base.