Bibliographie & annexes
Présentation
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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The processes based upon the particle fluidization technique have met with considerable success due to two major applications: catalytic reactions and coal combustion. In both cases, the low pressure loss of fluidized beds and the possibility to replace the solid phase permanently were the two decisive factors for this choice. This article firstly differentiates between the circulating fluidized beds regime and the entrained fluidized beds regime. The term circulating fluidized bed (CFB) is used for all regimes allowing for the transportation and recirculation of the solid phase. The various components of a CFB are described and parameters such as the recirculation rate, the particle density and the various flow models.
Auteur(s)
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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 (Ut ). 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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Aspect réactionnel8. Transfert de chaleur
La récupération de la chaleur dans les LFC thermiques est un enjeu important qui, contrairement au cas des lits fluidisés bouillonnants, n’est pas sans contrainte. En effet, le premier problème rencontré dans l’installation d’un réseau de tubes échangeurs à l’intérieur du lit ascendant est la perturbation que celui-ci produit au niveau de la structure de l’écoulement. De plus, étant donné les vitesses opératoires assez élevées des LFC, le phénomène d’érosion rend pratiquement impossible l’utilisation de tout réseau au sein du lit. Ainsi, la solution la plus réaliste est de placer les tubes le long de la paroi du lit ascendant où l’écoulement est nettement moins rapide. Cette solution paraît d’autant plus attrayante que le lit dispose de toute sa hauteur pour accueillir le réseau des tubes. Néanmoins, reste encore un problème incontournable dans les régimes de vitesses modérés des LFC thermiques : le rideau de particules tombant près de la paroi est rapidement refroidi et fait écran au transfert entre la zone centrale et les tubes. Ce phénomène est encore plus important pour ce qui concerne le transfert par radiation. Quoi qu’il en soit, les LFC restent des dispositifs assez performants du point de vue transfert de chaleur. Le coefficient de transfert à la paroi externe des tubes placés le long de la paroi varie entre 50 et 300 W/m2.K. Ce coefficient reste très correct même s'il est nettement moins important que celui des lits bouillonnants.
le coefficient externe des tubes ne tient pas compte de la résistance interne due à l’écoulement du fluide caloporteur, ni de la conduction à travers la paroi du tube.
Il y a peu de théories fondamentales expliquant les mécanismes de transfert de chaleur entre le cœur du lit ascendant et les tubes placés à la paroi. Les théories existantes à l’heure actuelle sont généralement basées sur des hypothèses difficiles à vérifier. Parmi les nombreux chercheurs qui ont travaillé sur cet aspect, nous ne citons ici que Leckner et al. , Basu et al. et Baskakov et al. . Toutefois, il faut savoir que beaucoup d’autres chercheurs proposent des modèles plus ou moins équivalents dans les conditions proches du fonctionnement des LFC thermiques. Il est évident que le bon modèle, s’il existe, n’est pas celui qui reproduit les résultats sur lesquels il a été ajusté, mais celui...
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Transfert de chaleur
BIBLIOGRAPHIE
-
(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.
-
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...
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