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RÉSUMÉ
Les procédés basés sur la technique de la fluidisation des particules ont connu un véritable succès grâce à deux applications majeures : les réactions catalytiques et la combustion du charbon. Dans les deux cas, la faible perte de charge des lits fluidisés et la possibilité de remplacement permanent de la phase solide ont été les deux facteurs décisifs de ce choix. Cet article distingue toit d’abord le régime lits circulants et le régime lits transportés. Le terme lit fluidisé circulant (LFC) est utilisé pour tous les régimes permettant le transport et la recirculation de la phase solide. Sont détaillées les différentes composantes d’un LFC, avec présentation des paramètres comme le taux de recirculation et le bilan de population, ainsi que les différents modèles d’écoulement.
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Khalil SHAKOURZADEH : Docteur d'État ès sciences physiques - Enseignant-chercheur au Département de génie des procédés industriels de l'université de technologie de Compiègne
INTRODUCTION
Les procédés utilisant la technique de la fluidisation rapide des particules ont connu un véritable succès grâce à deux applications majeures : les réactions catalytiques [procédé FCC (Fluid Catalytic Cracking)] en particulier et la combustion du charbon. Dans les deux cas, la faible perte de charge des lits fluidisés (comparée à celle des lits fixes) et la possibilité de remplacement permanent de la phase solide ont été les deux facteurs décisifs du choix de ce type de dispositif. Ces applications ont été aussi développées dans le régime de fluidisation « bouillonnante » dont un descriptif relativement détaillé est donné dans l'article .
Dans cet exposé, nous allons nous intéresser plus précisément à l'aspect de la fluidisation à forte vitesse où, contrairement à la fluidisation bouillonnante, la phase gazeuse devient continue et des paquets de particules forment la phase dispersée. Comme nous allons le voir dans le premier paragraphe, ce phénomène se produit quand on dépasse la vitesse terminale de chute libre des particules (U t ). Dans ces conditions, les particules entraînées quittent le lit fluidisé avec le courant gazeux. Pour maintenir la concentration du solide dans le lit fluidisé, les particules sont récupérées dans des dispositifs annexes et réintroduites à la base du lit. Ainsi, un nouveau régime de fluidisation s'établit.
On appelle ce régime le lit transporté et le système composé du lit et du dispositif de recirculation est appelé couramment le lit fluidisé circulant ou LFC.
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6. Taux de recirculation et bilan de population
6.1 Taux de recirculation
Le taux de recirculation, souvent appelé SCR (Solid Circulating Rate), est un des facteurs clés du fonctionnement du LFC. Ce facteur ne concerne que les LFC où le solide circule librement (les LFC de combustion de charbon, par exemple). Le débit de recirculation de la phase solide est souvent beaucoup plus élevé que le débit d’alimentation et la mesure in situ de ce débit s’avère très difficile, voire impossible, dans les conditions industrielles. Pourtant, la rétention en solide du LFC varie de façon très sensible en fonction du taux de circulation. Il est donc très important de savoir en faire une estimation, même approximative. Le taux de recirculation (figure 12) est définit comme le rapport du débit de recirculation de solide sur le débit d’alimentation :
Le débit de soutirage W SB sert en particulier à dégager les quelques particules trop grosses ou les agglomérats qui pourraient s’accumuler au fond du lit. L’émission du cyclone dépend, entre autres, de la charge μ e représentant le rapport des débits de solide (W SH) sur le débit massique de la phase fluide (W f ≈ W f°) à l’entrée du cyclone. Ainsi, il est important de noter que le débit de tirage W SL ne peut être imposé au système en régime stationnaire et doit satisfaire l’équation du bilan global sur la phase solide :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Gas Fluidization Technology - Éd. D. Geldart, J. Wiley & Sons (1986).
-
(2) - SHAKOURZADEH (K.) - Techniques de fluidisation - Éditions T.I. Techniques de l'Ingénieur [J 3 390]. Base documentaire « Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique » (2002).
-
(3) - BERRUTI (F.), KALOGERAKIS (N.) - Modelling the internal flow structure of circulating fluidized beds - The Can. J. of Chem. Eng., 67, p. 1 010-1 014 (1989).
-
(4) - PUGSLEY (T.S.), BERRUTI (F.) - A predictive hydrodynamic model for circulating fluidized bed risers - Powder Technology 89, p. 57-69 (1996).
-
(5) - PATIENCE (G.S.), CHAOUKI (J.) - Gas phase hydrodynamics in the riser of a circulating fluidized bed - Chemical Engineering Science, vol. 48, issue 18, p. 3 195-3 205 (sept. 1993).
-
(6) - NIEUWLAND...
ANNEXES
(liste non exhaustive)
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La réunion la plus importante est la conférence internationale CFB (International Conference on Circulating Fluidized Beds).
Cette conférence se tient tous les deux ans.
La neuvième édition a eu lieu du 13 au 16 mai 2008 à Hambourg ( http://www.cfb9.org).
Cette série de conférences a débuté en 1985 à Halifax (Canada). Elle traite aussi bien des aspects fondamentaux que des applications concernant les systèmes à lits fluidisés circulants.
Une des caractéristiques particulières de cette conférence est qu'elle réunit en nombre égal des industriels et des universitaires.
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En parallèle avec le 9e CFB se tient le 4e VGB Workshop « Operating Experience with Fluidized Bed Fering System ».
La première édition a eu lieu en 2002 à Cologne (Allemagne). Ces Workshops sont organisés par l'association VGB Powertech ( http://www.vgb.org).
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D'autres petits congrès s'organisent un peu partout dans le monde mais d'une manière ponctuelle. Ils n'ont pas de portée internationale.
(liste non exhaustive)
Les logiciels de calcul les plus utilisés sont :
ERGUN pour le design des lits fluidisés circulants ( http://www.utc.fr/ergun).
CFBCAD pour le design des chaudières à lits fluidisés circulants ( http://www.greenfieldresearch.ca).
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