Caractéristiques dynamiques des lits fluidisés

 Mode de contact entre les particules solides et le gaz 

Pour un empilement de particules donné, l’état de la suspension change en fonction du débit ou de la vitesse du gaz traversant les particules solides. Les trois grands types de lit de particules sont les lits fixes, fluidisés et transportés.

Autres dispositifs à particules
Il existe d’autres modes de contact solide-gaz parmi lesquels :
– Le lit mobile : il est également constitué d’un empilement de particules mais dans ce cas le lit est animé d’un mouvement de translation de haut en bas sous l’effet des forces de gravité. Le lit peut également être entraîné horizontalement. Le lit peut être à co-courant, à contrecourant ou à courant croisé.
– Le lit vibré : il s’agit également d’un lit à empilement de particules mais il est soumis à une excitation extérieure (vibrations) dans le but d’améliorer la fluidisation lorsque celle-ci est rendue difficile par l’utilisation de particules soit trop grosses soit trop fines.
– Le lit rotatif : un lit de particules est déposé à l’intérieur d’un cylindre incliné de quelques degrés par rapport à l’horizontale et tournant sur lui même. Un courant gazeux parcours le cylindre tout en étant en contact avec le lit de particules.
– Le cyclone : cet appareil permet normalement de séparer les fines particules solides contenues dans une phase gazeuse. Il peut cependant être utilisé en tant que réacteur pour des réactions nécessitant de fortes températures.

Villermaux [5] a classé les différents dispositifs qui représentent les modes de contacts gazsolide :
– Les lits à empilements de solide : fixe, mobile, brassé, vibré.
– Les lits fluidisés et suspendus : lit fluidisé, lit soufflé, lit tombant.
– Les lits transportés : transport pneumatique et cyclone.

L’utilisation de l’un des modes de contact solide-gaz parmi ceux cités précédemment peut dépendre de plusieurs facteurs comme la taille des particules et le temps de séjour du gaz dans le lit. Dans le domaine de la conversion électrique de l’énergie solaire, le gaz doit être dépourvu de particules à l’entrée de la turbine et il doit être à très hautes températures. Les lits transportés ne permettent pas d’avoir des températures de gaz très élevées et les particules sont entraînées par le gaz. Les surfaces de contact solide-gaz dans les lits fixes ne sont pas élevées ce qui empêche aussi d’avoir des températures de gaz élevées. Dans le cas des lits fluidisés, ces surfaces de contact sont importantes et le temps de séjour du gaz n’est pas très faible ni trop élevée. Nous allons à présent nous intéresser au phénomène de fluidisation.

Phénomène de fluidisation

Définition

Plusieurs explications du phénomène de fluidisation des particules par un gaz ont été citées dans la littérature. On peut expliquer ce phénomène ou processus, d’après notamment, Botterill [8], Kunii et Levenspiel [9], Zabrodsky [10]et Gibilaro [11], de la façon suivante :
-En partant d’une couche de solides divisés au repos (lit fixe), le passage d’un courant ascendant de gaz à travers cette couche produit une perte de charge due aux frottements du fluide sur la surface des particules, aux frottements du fluide sur lui-même et sur les parois de l’enceinte. A faible vitesse du courant, le lit reste fixe, on a une simple percolation (fig.4a).
-Lorsque la vitesse augmente, les forces de viscosité augmentent également. Elles deviennent suffisantes pour équilibrer le poids des particules qui bougent légèrement et se mettent en suspension : la vitesse minimale de fluidisation « Umf » est atteinte. Les particules solides s’éloignant légèrement les unes des autres, la section de passage du fluide augmente, et la vitesse diminue, ainsi que les frottements. Le suspension reste homogène et aucune bulle n’apparaît dans ces conditions; les particules se comportent globalement comme un fluide, d’où le terme « lit fluidisé » (fig. 4b).
-En augmentant encore la vitesse du gaz, le lit subit une expansion uniforme jusqu’à ce que la vitesse atteigne la vitesse minimale de bullage « Umb », correspondant à la formation de bulles au sein du lit fluidisé. La taille et le nombre des bulles croîssent avec la vitesse du gaz et avec la hauteur du lit (fig. 4c, 4d). Une description plus détaillée est présentée dans les paragraphes 5 et 6. Lorsque leur diamètre devient comparable au diamètre de la colonne, on observe un régime de fluidisation appelé « régime de pistonnage » (fig. 4 e).
-A des vitesses de fluidisation élevées, les particules sont entraînées par le gaz et s’échappent de la colonne. On appelle ce régime le « lit transporté » (fig. 4f).

On peut énoncer que le lit fluidisé est un milieu diphasique constitué d’une part de la phase dense (émulsion), région où le gaz est en contact intime avec le solide et la porosité et la vitesse du gaz sont égales aux valeurs de ces grandeurs au minimum de fluidisation, et d’autre part, de la phase bulle, constituée de poches de gaz s’élevant dans la couche. Le gaz en excès par rapport au débit nécessaire à la mise en fluidisation passe dans la phase bulle. Les interactions entre ces deux phases confèrent au lit fluidisé l’essentiel de ses caractéristiques thermiques originales. Les bulles induisent le brassage des particules de la phase dense. Les particules sont entraînées dans le sillage des bulles jusqu’à la surface du lit. Ce mouvement ascendant du solide est compensé par un flux descendant des particules dans le reste de l’émulsion. Ce mécanisme rend le milieu quasiment isotherme.

Chute de pression à travers la couche fluidisée 

La vitesse minimale de fluidisation est généralement déterminée expérimentalement à partir de la courbe de variation de la chute de pression subie par le gaz à travers la couche de particules en fonction de sa vitesse superficielle (fig.4). Lorsque le lit est fixe, la chute de pression augmente avec la vitesse du gaz jusqu’à ce que cette vitesse atteigne la vitesse minimale de fluidisation. Il faut noter aussi que la perte de charge mesurée en lit fixe pour une même vitesse de gaz peut être légèrement différente selon que l’on procède à vitesse croissante ou à vitesse décroissante. Au delà de la vitesse minimale de fluidisation, la perte de charge devient indépendante de la vitesse du gaz et le gradient de pression reste constant dans le domaine de fluidisation. Dans le cas idéal, la perte de charge est égale au poids apparent des particules par unité de surface du lit. Expérimentalement, un écart est enregistré à cette valeur qui diffère d’un auteur à l’autre. Certains auteurs disent que la perte de charge est supérieure au poids apparent des particules (Lewis et al. [12]), alors que d’autres disent qu’elle est égale à 85 % du poids apparent (Whitehead et Dent [13]). Selon Muller et Flamant [14] ces écarts peuvent être dus, soit aux méthodes de mesure, soit à la nature du distributeur de gaz mis en œuvre. La perte de charge commence à diminuer au delà de la vitesse d’entraînement.

Caractéristiques du lit au minimum de fluidisation

Vitesse et degré de vide au minimum de fluidisation 

La vitesse minimale de fluidisation est un des paramètres essentiels pour caractériser le phénomène de fluidisation. De nombreuses corrélations ont été proposées dans la littérature permettant de calculer Umf selon les conditions opératoires . La corrélation semi-empirique d’Ergun [15] constitue la base de toutes les autres corrélations proposées par la suite. Cette corrélation représente la variation de perte de charge en fonction de la vitesse apparente du fluide pour des empilements 3D. Elle est basée sur des données expérimentales couvrant des gammes de taille et de forme très larges.

Régimes de fluidisation 

Régime de fluidisation homogène et hétérogène (bouillonnant)

Le domaine de fluidisation limité par la vitesse minimale de fluidisation Umf et la vitesse de transport de la particule ou vitesse terminale de chute Ut est divisé en régime de fluidisation homogène et hétérogène. Si la vitesse de fluidisation est inférieure à la vitesse de bullage, le régime de fluidisation est homogène (particulaire) en raison de l’absence de bulle. On est en régime hétérogène si U > Ub, dans ce cas il y a apparition de bulles dans le lit et on dit que le lit est bouillonnant. Le régime de fluidisation bouillonnant couvre une plage de vitesse très importante. La vitesse de bullage est toujours égale à la vitesse minimale de fluidisation pour les particules de type B et C de la classification de Baeyens et Geldart. Dans ce cas le régime de fluidisation est hétérogène ou bouillonnant ( figure 7).

Mouvement des particules solides en régime de fluidisation bouillonnant

Le mouvement des particules solides dans un lit fluidisé au régime bouillonnant est difficile à appréhender. Une équipe de chercheurs de l’Université de Birmingham [41] a tout de même réussi à visualiser les trajectoires des particules au sein du lit fluidisé. Ils ont ainsi pu dégager trois phases distinctes représentant le mouvement des particules. Afin de suivre la trajectoire d’une particule, ils se sont servis d’une nouvelle technique de suivi des particules par émission de positron (Positron Emission Particule Tracking, PEPT). Cette technique consiste à mettre dans le lit fluidisé une particule de même matériau et de même diamètre que celles déjà présentes, mais qui a la propriété d’émettre des positrons. Deux grandes plaques qui détectent les rayons gamma issus de l’annihilation électron/positron sont placées autour du lit fluidisé. La position du traceur peut alors être déterminée par triangulation. Cette méthode PEPT permet de visualiser les trajectoires des particules, les lignes de courant, les vitesses des particules.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Caractéristiques dynamiques des lits fluidisés
1- Mode de contact entre les particules solides et le gaz
2- Phénomène de fluidisation
2-1- Définition
2-2- Chute de pression à travers la couche fluidisée
3- Caractéristiques du lit au minimum de fluidisation
3-1- Vitesse et degré de vide au minimum de fluidisation
2-2- Mesure de la porosité du lit au minimum de la fluidisation
4- Classification des poudres
3-1- Classification des poudres de Baeyens et Geldart (1973)
3-2- Classification des poudres de Saxena et Ganzha (1984)
5- Régimes de fluidisation
4-1- Régime de fluidisation homogène et hétérogène (bouillonnant)
4-2- Régime de fluidisation turbulent. Fluidisation rapide et transport pneumatique
6- Expansion, porosité et bullage de la suspension
7- Vitesse maximale de fluidisation (vitesse terminale de chute libre des articules)
8- Avantages et inconvénients de la fluidisation
9- Conclusion
Chapitre II : Les absorbeurs solaires à lit de particules solides
1- Réacteurs et récepteurs solaires solide-gaz
1-1- Classification des réacteurs et récepteurs solaires à lit de particules
1-2- Réacteurs et récepteurs solaires à lit de particules solides proposés ou étudiés
2- Transferts thermiques dans les lits fluidisés
3- Conclusion
Chapitre III : Modélisation des transferts radiatifs
1- Equation de transfert radiatif
2- Méthodes de résolution de l’équation de transfert radiatif
2-1 Méthode des ordonnées discrètes
2-2- Modèle à deux-flux
2-3 Méthode des harmoniques sphériques
2-4 Méthode de tracé de rayons (Ray Tracing)
2-5 Méthode de Monte Carlo
3- Conclusion
Chapitre IV : Modélisation des transferts thermiques dans le lit fluidisé
1- Introduction
2- Modélisation des transferts thermiques dans le lit fluidisé
2-1- Exposé de la méthode
2-2- Application
3- Modélisation des transferts radiatifs dans le lit fluidisé
3-1- Propriétés optiques des particules solides
3-2- Etude des transferts radiatifs dans un récepteur solaire à lit fluidisé par la méthode de Monte Carlo (MMC)
3-2-1- Approches analogue et intégrale de la MMC
3-2-2- Formulation des transferts radiatifs en puissances nettes échangées dans la MMC
3-2-3- Algorithmes proposés
3-2-4- Résultats obtenus et discussion
4- Conclusion
Conclusion générale

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