Fluidisation gaz-solide - Particules fines et nanoparticules

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. 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.

Cependant, toutes les poudres n’ont pas la même aptitude à être fluidisées et en conséquence, elles peuvent se comporter différemment vis-à-vis de la fluidisation. En fonction du diamètre moyen et de la masse volumique des particules, la classification de Geldart donne le type de fluidisation qui sera obtenu avec de l’air dans les conditions ambiantes. Il se dégage ainsi quatre groupes de particules caractérisés par un régime de fluidisation différent. Ces quatre groupes sont décrits dans les articles [J 4 100] et [J 1 065]. Le présent article s’intéresse plus particulièrement à la fluidisation des poudres appartenant au groupe C de Geldart (particules fines et cohésives) et aux nanoparticules.

La fluidisation des poudres fines (groupe C) et des nanoparticules rencontre actuellement un nombre croissant d’applications dans diverses industries (semi-conducteurs, catalyseurs, pharmaceutiques, cosmétiques, produits alimentaires, plastiques, métallurgie des poudres, etc.). De façon générale, ces poudres sont caractérisées par leur faible diamètre et leur grande surface spécifique mais aussi par des forces de cohésion interparticulaires élevées. L’influence de ces forces d’interaction sur la fluidisation est encore mal cernée et l’état actuel des connaissances est tel qu’il reste difficile de prédire le comportement global d’une poudre à partir des caractéristiques individuelles des particules qui la constituent. Il est à noter que le terme « nanoparticules » est généralement utilisé pour désigner des particules primaires de taille inférieure à 100 nm (plus précisément, des matériaux granulaires ayant au moins une dimension inférieure à 100 nm). Le groupe C correspond à des particules de taille inférieure à un diamètre compris entre 20 et 80 μm en fonction de leur densité (frontière entre les groupes A et C de la classification de Geldart).

Selon la classification de Geldart, les poudres du groupe C ne sont pas fluidisables en raison de forces interparticulaires très élevées. Or, l’analyse de la littérature montre que la fluidisation des poudres fines et nanoparticules est parfois possible sous forme d’agglomérats (ou « clusters »). En effet, l’agglomération des particules primaires en structures de taille plus importante permet de déplacer favorablement le rapport entre les forces interparticulaires et hydrodynamiques. Ces phénomènes d’agglomération font ainsi apparaître de nouveaux régimes parfois qualifiés de « fluidisation par agglomération ». Néanmoins, la fluidisation de ce type de poudres peut poser plusieurs problèmes : entraînement et élutriation de particules, détérioration des transferts de matière et de chaleur, défluidisation, etc. Pour améliorer la qualité de fluidisation de celles-ci (homogénéité de la couche fluidisée, fluidisation à faibles vitesses de gaz, diminution de la taille des agglomérats, etc.), différentes technologies peuvent être mises en œuvre : agitation mécanique, vibration, fluidisation sous champ centrifuge, utilisation de microjets, ajout d’agents d’écoulement, etc.