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RÉSUMÉ
Cet article décrit les bases de la fluidisation gaz-solide et met l’accent sur l’hydrodynamique des lits fluidisés en régime bouillonnant. Après un rappel sur les propriétés physiques des solides divisés, les principaux concepts de la fluidisation sont présentés : classification des poudres de Geldart ; vitesse minimale de fluidisation ; phénomène de bullage (taille et vitesse des bulles), mouvements d’ensemble et expansion des lits fluidisés ; entraînement et élutriation des particules.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Mikel LETURIA : Docteur de l'Université de Technologie de Compiègne - Ingénieur R et D chez AREVA – Centre de recherche de CEZUS
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Khashayar SALEH : Professeur des Universités - Université de Technologie de Compiègne – Département génie des procédés industriels – Labo. TIMR EA4297
INTRODUCTION
La fluidisation est un procédé de mise en contact d'une phase granulaire et d'une phase fluide qui permet de maintenir les particules en suspension. Le terme « fluidisation » vient du fait que la suspension gaz-solide est amenée à un état semblable à celui d'un liquide. La gazéification du charbon représente la première application à échelle industrielle de la fluidisation gaz-solide et remonte aux années 1920. Cette technique a connu un développement rapide et important à partir des années 1940, avec le lancement des réacteurs de craquage catalytique du pétrole (procédé FCC). Le procédé FCC est basé sur l'utilisation d'un lit fluidisé de catalyseur qui circule entre un réacteur et un régénérateur. Aujourd'hui encore, il constitue une opération essentielle dans le raffinage du pétrole.
L'avantage majeur de la fluidisation réside dans la qualité de la mise en contact intime entre la phase fluide et les particules solides. L'intensité des transferts de matière et de chaleur (aussi bien entre phases, qu'entre le lit et les surfaces immergées) se traduit par des températures et des concentrations uniformes au sein du lit fluidisé. Ces propriétés avantageuses expliquent que le phénomène de fluidisation soit actuellement exploité dans des applications industrielles nombreuses et variées (chimie, pétrochimie, métallurgie, céramiques, agroalimentaire, pharmaceutiques, etc.).
Le comportement d'un lit fluidisé dépend fortement des propriétés de la phase fluide et des particules solides qui doivent donc être parfaitement connues. Par ailleurs, la fluidisation gaz-solide est souvent caractérisée par la présence de bulles et on parle alors de régime bouillonnant. Celles-ci sont responsables de l'agitation des particules et jouent un rôle important dans les mécanismes de transfert de matière et de chaleur. La compréhension du comportement des bulles et la connaissance de leurs caractéristiques sont donc essentielles pour le dimensionnement des lits fluidisés. Enfin, de nombreuses difficultés opératoires sont associées à la mise en œuvre des lits fluidisés : entraînement des particules fines (phénomène d'élutriation), attrition des particules, érosion des surfaces immergées, nécessité de nombreux dispositifs auxiliaires (distributeurs, filtres, cyclones, jambes de retour, etc.). Tous ces facteurs font que la conception, l'extrapolation et le dimensionnement d'unités font encore largement appel à l'expérience et ne sont pas sans risques.
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MOTS-CLÉS
Classification des poudres de Geldart Vitesse minimale de fluidisation Régime bouillonnant Elutriation Attrition Réacteurs chimiques Génie des procédés
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1992 par Khalil SHAKOURZADEH
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Principe
1.1 Phénomène de fluidisation
Considérons un lit de particules solides reposant sur une grille horizontale située au fond d'une colonne. Faisons à présent circuler un gaz à travers ce lit à une vitesse superficielle U dans le sens ascendant. À la traversée de la couche fixe de grains solides, le courant de gaz subit une chute de pression due aux forces de frottement visqueux entre le gaz et les particules. Tant que le lit reste fixe, la perte de charge augmente avec la vitesse superficielle du gaz. Lorsque la chute de pression devient égale au poids apparent de la couche par unité d'aire (section droite de la colonne), la couche se « fluidise ». Ce seuil de fluidisation est atteint pour une vitesse superficielle de gaz appelée « vitesse minimale de fluidisation » et généralement notée Umf .
La fluidisation est donc un procédé de mise en contact d'une phase granulaire et d'une phase fluide (le plus souvent un gaz) qui permet de maintenir les particules en suspension. Le terme fluidisation vient du fait que la suspension gaz-solide est amenée à un état semblable à celui d'un liquide.
La figure 1 présente les quelques ressemblances observables entre un lit fluidisé et un liquide :
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un objet léger (dont la densité est inférieure à la densité apparente du lit fluidisé) flotte à la surface ;
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si on incline légèrement le lit fluidisé, la surface de la suspension reste horizontale et ne suit pas le mouvement du récipient ;
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si on perce le récipient, la suspension gaz-solide s'écoule et forme un jet ;
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si on connecte deux lits fluidisés, leurs niveaux s'égalisent ;
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la chute de pression entre deux hauteurs d'une couche fluidisée est sensiblement égale à la perte de charge hydrostatique entre ces deux points.
1.2 Avantages...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KUNII (D.), LEVENSPIEL (O.) - Fluidization engineering. - 2nd ed., Butterworth-Heinemann (1991).
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(2) - WADELL (H.) - Volume, shape, and roundness of rock particles. - The Journal of Geology, 40, p. 443-451 (1932).
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(4) - GELDART (D.) - Types of gas fluidization. - Powder Technology, 7, p. 285-292 (1973).
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(5) - ERGUN (S.), ORNING (A.A.) - Fluid flow through randomly packed columns and fluidized beds. - J. Ind. Eng. Chem., 41, p. 1179-1184 (1949).
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(6) - WEN (C.Y.), YU (Y.H.) - A generalized method for predicting the minimum fluidization velocity. - AIChE Journal, 12, p. 610-612 (1966).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Éléments de mécanique des fluides : application aux milieux poreux.
-
Caractérisation et analyse des poudres – Propriétés physiques des solides divisés.
-
Caractérisation et analyse des poudres – Propriétés comportementales des solides divisés.
-
Fluidisation gaz-solide. Ingénierie et étude expérimentale.
ANNEXES
Ergun Fluidization Software http://www.utc.fr/ergun/
HAUT DE PAGE
Module UNIT (cours à distance à accès libre) : « Sciences et technologies des poudres » http://www.nte.enstimac.fr/STP/co/STP_web.html
Modèle fluidisation http://www.nte.enstimac.fr/STP/co/OU8.html
HAUT DE PAGE
11th International Conference on Fluidized Bed Technology, 14-17 mai 2014, Beijing, China.
7th World Congress on Particle Technology, 19-22 mai 2014, Beijing, China.
Science et Technologie des Poudres (STP) Colloque ayant lieu tous les 3 ans, prochaine occurrence : 2015 – Nancy.
10th European congress of Chemical Engineering + 3rd European...
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