Présentation

Article

1 - FORCES INTERPARTICULAIRES

2 - TYPES DE COMPORTEMENT EN FLUIDISATION

3 - PHÉNOMÈNE D’AGGLOMÉRATION ET SOUS-CLASSES DU GROUPE C

4 - STRUCTURE ET TAILLE DES AGGLOMÉRATS

5 - RÉCAPITULATIF ET CRITÈRES DE DISCRIMINATION ENTRE LES COMPORTEMENTS APF ET ABF

6 - TECHNIQUES D’AMÉLIORATION DE LA FLUIDISATION DES POUDRES COHÉSIVES

7 - APPLICATIONS ET PERSPECTIVES INDUSTRIELLES

8 - CONCLUSION

9 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : J4101 v1

Types de comportement en fluidisation
Fluidisation gaz-solide - Particules fines et nanoparticules

Auteur(s) : Mikel LETURIA, Khashayar SALEH

Date de publication : 10 juin 2016

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RÉSUMÉ

Cet article propose un état de l’art de la fluidisation des particules fines et nanoparticules. Les différentes forces interparticulaires et leurs conséquences sur la fluidisation sont dans un premier temps introduites. Les phénomènes d’agglomération ainsi que la structure et la taille des agglomérats obtenus sont ensuite présentés. L’accent est également mis sur les différentes technologies disponibles pour améliorer la fluidisation de ce type de poudres. Cet article se conclut par la présentation de plusieurs applications industrielles potentielles concernant la fluidisation de particules fines et nanoparticules.

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ABSTRACT

Gas-Solid Fluidization ;Fine particles and nanoparticles

This article reviews the fluidization of fine particles and nanoparticles. The different interparticle forces and their effects on fluidization are first introduced. Agglomeration phenomena and the structure and size of agglomerates are then described. A summary of various assisting methods and their impacts for improving fluidization quality is also presented. The article concludes with a brief review of potential applications of fluidization in the handling and processing of fine particles and nanoparticles.

Auteur(s)

  • Mikel LETURIA : Maître de conférences Université de Technologie de Compiègne – Département génie des procédés industriels – Labo. TIMR EA4297, France

  • Khashayar SALEH : Professeur des universités Université de Technologie de Compiègne – Département génie des procédés industriels – Labo. TIMR EA4297, France

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. 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.

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KEYWORDS

interparticle forces   |   agglomeration

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j4101


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2. Types de comportement en fluidisation

Considérons 3 lots de particules appartenant respectivement aux groupes A, B et C de la classification de Geldart (figure 3.

La figure 3 a donne la variation de la perte de charge d’un lit de poudre de classe B, c’est-à-dire d’un système non cohésif. La courbe présente deux tronçons : une partie croissante jusqu’à la vitesse minimale de fluidisation Umf   , puis un palier où la perte de charge est constante et égale au poids du lit par unité de section droite. En suivant la hauteur du lit en fonction de la vitesse du gaz, on constate que l’expansion reste nulle jusqu’à Umf   , puis qu’elle croît légèrement avec l’apparition des bulles. Les particules étant de classe B, elles ne présentent pas de forces interparticulaires. Cela explique que les bulles apparaissent dès que la vitesse minimale de fluidisation est atteinte (Umf  = Umb  ).

En revanche, pour les particules de classe A (figure 3 b ), il existe des forces d’interaction, faibles à modérées, expliquant que la vitesse minimale de fluidisation Umf soit inférieure à la vitesse de bullage Umb   . La perte de charge est toujours égale au poids du lit mais on observe une forte expansion de la couche fluidisée entre Umf et Umb   . Une fois cette vitesse de bullage atteinte, on observe une légère chute de l’expansion puis une nouvelle augmentation pour des vitesses supérieures. Selon Rietema  ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GELDART (D.), HARNBY (N.), WONG (A.C.) -   Fluidization of cohesive powders.  -  Powder Technology, 37, p. 25-37 (1984).

  • (2) - MOLERUS (O.) -   Interpretation of Geldart’s type A, B, C and D powders by taking into account interparticle cohesion forces.  -  Powder Technology, 33, p. 81-87 (1982).

  • (3) - RHODES (M.) -   Introduction to particle technology.  -  2nd Ed., Wiley, Chichester (2008).

  • (4) - YANG (W.-C.) -   Fluidization of fine cohesive powders and nanoparticles.  -  A review. J. Chin. Inst. Chem. Eng., 36, p. 1-15 (2005).

  • (5) - VISSER (J.) -   Van der Waals and other cohesive forces affecting powder fluidization.  -  Powder Technology, 58, p. 1-10 (1989).

  • (6) - XU (C.C.), ZHU (J.) -   Prediction of the minimum fluidization velocity for fine particles of various degrees of cohesiveness.  -  ...

1 Outils logiciels

Ergun Fluidization Software http://www.utc.fr/ergun/

HAUT DE PAGE

2 Sites Internet

Module UNIT (cours à distance à accès libre) : « Sciences et Technologies des Poudres » et modèle fluidisation http://nte.enstimac.fr/STP/co/STP_web.html http://nte.enstimac.fr/STP/co/OU8.html

HAUT DE PAGE

3 Événements

Fluidization XV, 22-26 mai 2016, Fairmont Le Chateau Montebello, Québec, Canada

World Congress of Particle Technology VIII, 22-26 avril 2018, Orlando, Florida, États-Unis

9e Colloque Science et Technologie des Poudres (STP), 2018, Compiègne,...

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