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1.LA FLUIDISATION I.1 Définition La fluidisation gazeuse est l’opération par la

1.LA FLUIDISATION I.1 Définition La fluidisation gazeuse est l’opération par laquelle les particules d’un solide divisé (on dit aussi un matériau granulaire ou plus simplement une poudre), sont mises en suspension par un gaz ou un liquide. La fluidisation consiste à faire passer, verticalement et vers le haut, un fluide à travers un lit de particules afin de mettre en suspension ces particules[ CITATION Mar19 \l 7177 ]. I.2 Description du phénomène Considerons un lit fluidisé. La relation de conservation de l’impulsion nous permet de relier la chute de pression dans le lit fluidis´e `a la force exerc´ee par le fluide sur les particules. On consid`ere un volume de contrˆole d´elimit´e par S1 et S2 (fig. 3). Si on n´eglige la friction sur les parois du tube, la difference de pression entre S1 et S2 compense exactement le poids du liquide et des particules. Comme on mesure l’´ecart ∆P par rapport `a la pression hydrostatique, cet ecart vaut donc : Ou ρp et ρf sont les densités respectives des particules et du fluide, ϕ la fraction de volume occupée par les particules (le complémentaire de la porosité) et L sa hauteur. Par conservation de la matière, le produit ϕL est constant et on s’attend donc à ce que ∆P ne varie plus au-delà du seuil de fluidisation. Figure 1:Volume de controle pour le calcul de la force exercée sur le lit de particules. La différence de pression est-elle effectivement constante au-delà du seuil de fluidisation ? A partir de la mesure de k et de ϕ0, déterminer la vitesse minimale de fluidisation et la comparer à la valeur observée. A partir de la hauteur du lit, déterminer l’évolution de la fraction volumique ` ϕ occupée par les particules en fonction de la vitesse moyenne du liquide. La vitesse de chute U0 d’une particule isolée sédimentant dans un fluide visqueux est donnée par : Ou a est le rayon de la particule (sous la condition Re = ρfU0a/η << 1). Quelle serait alors la vitesse minimale de fluidisation ? Au-delà de cette vitesse, la particule se stabiliserait-elle `a une hauteur d’équilibre comme le fait le lit ? (On pourra commenter la valeur du nombre de Reynolds). Expliquer qualitativement pourquoi le lit se stabilise effectivement `a une hauteur d’´equilibre. I.3 Conditions de fluidisation Lorsqu’un fluide traverse du bas vers le haut une couche de grains d’un matériau granulaire, il subit une force de frottement dont l’intensité augmente notamment avec la vitesse de passage entre les grains : on imaginera par exemple un récipient ayant un fond poreux rempli de sable et alimenté par de l’air qui traverse du bas vers le haut le fond poreux puis le lit de sable. La force de frottement est dirigée vers le haut et peut devenir d’intensité égale à celle du poids des particules du solide divisé. Lorsque c’est effectivement le cas, les grains voient leur poids équilibré par la force de frottement et acquièrent de ce fait la possibilité de se mouvoir au sein du récipient qui est traversé par le fluide, tout comme les molécules d’un fluide sont libres de se mouvoir dans une enceinte qui délimite un volume. Le lot de poudre ainsi parcouru par un fluide ascendant est alors dit fluidisé par opposition à l’état fixe qui précède la mise en fluidisation. Lorsqu’ils sont fluidisés, les grains du matériau granulaire se comportent à certains égards comme un fluide, d’où le terme de fluidisation et de lits fluidisés. Un solide divisé acquiert alors des propriétés d’écoulement qu’il n’avait pas lorsqu’il était à l’état fixe, propriétés qui s’apparentent à celles d’un fluide. I.4 vitesse minimale de fluidisation L’Umf est la vitesse minimale ou minimum de fluidisation, c’est-à-dire la vitesse minimale à partir de laquelle un lit de particules passe de lit fixe à lit fluidisé. De ce fait, les particules acquièrent alors la possibilité de se mouvoir au sein du réacteur. La vitesse de fluidisation varie en fonction des caractéristiques géométrique du réacteur dans lequel a lieu la fluidisation. Expérimentalement, lorsque la vitesse augmente, la perte de charge ∆p entre le haut et le bas du lit augmente jusqu’à se stabiliser à une valeur constante . La vitesse à partir de laquelle la ∆p devient constante est définie comme la « vitesse minimum de fluidisation ». On détermine la vitesse à laquelle intervient la fluidisation en fonction de la pression due à la pesanteur et de la pression correspondant à la perte de charge du fluide à travers un milieu poreux. Soit un lit de particules homogènes disposées dans une colonne au-dessus d’une plaque perforée. Un fluide réel (air) s’écoule au travers du lit. Dans les cas les plus fréquents (particules fines), la fluidisation se produit en régime laminaire. Pour un certain débit, la perte de charge du fluide traversant le lit poreux est donnée par la relation de Kozeny-Carman : dans laquelle Zo est la hauteur initiale du lit de particules, εo la porosité du lit, dp le diamètre des particules et μ la viscosité du fluide. Lorsque cette perte de pression est égale à la pression exercée par le poids du lit de particules le lit commence à se soulever ; c’est le seuil de fluidisation, caractérisé par la vitesse minimale de fluidisation wmin f. Avec A, l’aire de la section de la colonne et Δρ = (ρp – ρf) la différence entre les masses volumiques des particules et du fluide. On remarque que wmin f ne dépend pas du diamètre de la colonne. Dans les cas usuels (particules solides comprises entre 30 et 1 000 μm pour la fluidisation en phase gazeuse), la fluidisation intervient en régime laminaire. L’utilisation de la relation de wmin f pose quelques problèmes, car il est très difficile d’évaluer la valeur de la porosité ε du lit au moment de la fluidisation. En l’absence des données expérimentales, le rapport ε/ (1 – ε) peut être évaluer à 0,091. Dans la littérature spécialisée on trouve d’autres expressions permettant le calcul de la vitesse minimale de fluidisation. Ainsi, pour les lits monodispersés, Leva donne la relation : Valable pour un régime d’écoulement laminaire. I.5 Types de fluidisation La classification de Geldart est la classification de référence de la fluidisation. Les particules peuvent être réparties en 4 catégories selon leurs propriétés vis-à-vis de la fluidisation (Figure 9). La classification des particules dépend de leur diamètre moyen (dp) et de la différence de masse volumique entre la particule et le gaz de fluidisation (ρp-ρg). Dans l’étude menée par Geldart, l’agent de fluidisation de référence est de l’air à température ambiante et à pression atmosphérique. Figure 2:diagramme de Geldart Les quatre classes mises en évidence par Geldarf sont : – Classe A : les poudres fines et légères (20 < dp < 150 μm et ρp < 1 500 kg/m3); de type particulier et avec une désaération lente, la fluidisation de ces grains est aisée; exemples de poudres : divers catalyseurs. – Classe B : les poudres sableuses (80 < dp < 800 μm et 1 500 < ρp < 4 000 kg/m3); fluidisation facile de type agrégative avec désaération très rapide; exemple de poudre : le sable. – Classe C : les poudres fines cohésives (dp < 30 μm); fluidisation difficile à cause des forces de surface très élevées entre grains; exemple de poudre : farine, talc. – Classe D : les poudres granuleuses (dp > 800 μm) ; fluidisation possible, mais il préférable d’utiliser le lit à jets ; exemple de poudre : les céréales. Une bonne fluidisation est assurée par une poudre caractérisée par : une bonne distensibilité et une bonne coulabilité (taille des particules comprise entre 50 et 500 μm dans les classes A et B);une distribution raisonnable des granulométries; une bonne résistance au frittage (attrition). I.6 Phénomène d’élutriation Lorsque les bulles arrivent à la surface du lit, elles éclatent et projettent des particules solides vers le haut. Une partie de ces particules projetées retombe dans le lit, en particulier les grosses particules ou les particules agglomérées. D’autres sont susceptibles de quitter la colonne et doivent être récupérées par des dispositifs annexes tels que les cyclones et les filtres. Ce processus d’entrainement des particules est communément appelé élutriation. I.7 application industrielle La fluidisation est utilisée pour mettre en œuvre des réactions catalytiques ou à solide consommable, des opérations de séchage , de tri, de granulation, et même de cristallisation, ou encore de traitement de surface, ou tout simplement elle sert dans les échangeurs de chaleur pour solides pulvérulents. I.8 Avantages et inconvenients de la fluidisation - Une température homogène au sein du lit du fait d’un bon mélange des particules en régime fluidisé, contrairement au lit fixe qui est soumis à un fort gradient de température. - Un coefficient de transfert de chaleur solide/fluide très élevé entre 200 et 600 W/(m2 · K), qui est nettement supérieure à celui des échangeurs fluide/fluide qui est de l’ordre de 50 W/(m2 · K). - La phase solide du système peut être aisément renouvelée si besoin est, même en fonctionnement. uploads/Litterature/ la-fluidisation.pdf