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Contribution expérimentale à l'étude du comportement hydrodynamique de l'écoulement gaz-particules dans les lits fluidisés : régimes et mécanismes de transitions, Experimental contribution study of the hydrodynamic behavior of gas particules flow in the circulating fluidized beds : regimes and transition mechanisms

De
149 pages
Sous la direction de Maroc) Université Abdelmalek Essaadi (Tétouan, Bousselham Kharbouch, René Occelli
Thèse soutenue le 23 octobre 2010: Aix Marseille 2
Le but de cette thèse est de caractériser le comportement de la phase solide marquant le régime turbulent dans la zone dilué d’une colonne à lit fluidisé circulant et définir sa limite supérieure qui marque la transition au régime de fluidisation rapide. Une série d’expériences ont été réalisé dans ce sens surtout pour déterminer les vitesses des particules et leurs écarts types en utilisant la technique laser doppler vélocimétrie. L’étude est divisée en deux parties principales, la première a consisté à déterminer le comportement moyen de la phase solide et la structure macroscopique du lit ainsi que son comportement fluctuant à partir de l’analyse du mouvement axial et transversal des particules avec et sans séparation des particules suivant leurs sens de mouvement (ascendante/ descendante, dirigée vers le centre de la colonne / la paroi). La deuxième partie a consisté d’étudier la transition entre le régime turbulent et le régime de fluidisation rapide à partir de l’analyse de l’évolution des grandeurs moyennes et fluctuantes du lit localement au centre et en paroi (surtout les vitesses des particules, leurs écarts-types, et le taux de particules en circulation). Sur la base de ces observations nous avons défini un nouveau régime intermédiaire entre le régime turbulent et le régime de fluidisation rapide que nous avons appelé régime Pré-fluidisation rapide qui partage beaucoup de caractéristiques avec le régime de fluidisation rapide mais sans variation sensible sur le taux de solide récupéré en sortie.
-Lit fluidisé circulant
-Étude experimentale
-Mesure de vitesse
-Régimes de fluidisations
-Transitions de régimes
The aim of this thesis is to characterize the solid phase behavior marking the turbulent fluidization regime in the dilute zone of a circulating fluidized bed riser and set its upper limit, which marks the transition to the fast fluidization regime. A series of experiments were conducted in this direction, especially to determine the particle velocities and their standard deviations using laser Doppler velocimetry technique. The study is divided into two main parts, the first was to determine the average solid phase behavior and the macroscopic structure of the bed in this region and its fluctuating behavior from the analysis of axial and transversal particle motions with and without separation of particles according to their movement direction (up / down, directed toward the center of the column / wall). The second part consists of studying the transition between the turbulent and fast fluidization regime from the analysis of the evolution of mean and fluctuating flow quantities locally in the center riser and in the wall (especially the particle velocity, their standard deviations, and the particle flow rate). Based on the results observations, we have identified a new intermediate regime between the turbulent and the fast fluidization regime that we called Pre-fast fluidization regime which shares many characteristics with the fast fluidization regime, but without any significant change in the solid flow rate collected on the column exit.
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22094/document
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UNIVERSITÉ DE LA MEDITERRANEE (AIX-MARSEILLE II)
Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels
C.N.R.S. U.M.R 6595

UNIVERSITÉ d’ABDELMALEK ESSAADI
Faculté des Sciences de Tétouan
----

THÈSE DE DOCTORAT EN COTUTELLE

Présentée par

Abdelghafour ZAABOUT

Pour obtenir le grade de

Docteur

Discipline : Sciences
Spécialité : Mécanique Energétique

Ecole Doctorale Sciences pour l’ingénieur :
Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Intitulée




Contribution expérimentale à l'étude du comportement
hydrodynamique de l'écoulement gaz-particules dans les lits
fluidisés circulant. Régimes et mécanismes de transitions






Soutenu le 23 octobre 2010 devant le jury composé de,

TADRIST L. (Professeur Université de Provence, Marseille,) Président
CHAOUKI J. (Professeur Ecole Polytechnique Montréal, Canada) Rapporteur
OESTERLE B. (Professeur Université Henri Poincaré, Nancy) Rapporteur
TAQI M. (FS Ben M’Sik, Casablanca) Rapporteur
DRAOUI A. (Professeur FS Tanger) Examinateur
GOURDON C. (Professeur INP Toulouse) Examinateur
KHARBOUCH B. (Professeur FS Tétouan) Co-directeur
OCCELLI R. (Professeur Université de Provence, Marseille) Co-directeur

Remerciements

Ce travail s’est déroulé au sein du laboratoire de l’IUSTI dans l’équipe « transfert de chaleur et de masse » en
collaboration avec le laboratoire d’« Energétique » de l’université d’Abdelmalek Essaâdi. J’aimerais remercier
tous ceux sans qui cette recherche n’aurait pas pu être menée à bien, que ce soit à l’aide qu’ils m’ont apportée ou
par leurs encouragements, qui m’ont aidé à arriver au bout de cette thèse.
J’exprime toute ma gratitude à Monsieur Lounes Tadrist, Directeur de laboratoire l’IUSTI, qui m’a accueilli au
sein du laboratoire, de ses conseils précieux et d’avoir bien voulu présider ce jury.
Je voudrais remercier mes directeurs de thèse, Monsieur René Occelli, Professeur de l’université de Provence, qui a
assuré le suivi de ce travail, ces conseils avisés, ces innommables suggestions ainsi que sa disponibilité exceptionnelle
qui m’ont été précieux pour le bon déroulement de mes travaux. Et Monsieur Bousselham Kharbouch, Professeur
de l’université d’Abdelmalek Essaâdi, Je suis sensible à la confiance qu’il m’a toujours témoignée, qu’à l’aide
précieuse qu’il m’a offerte dans le choix des grandes orientations de cette étude.
Je voudrais ensuite remercier tout particulièrement Monsieur Hervé Bournot, maître de conférences, sans qui ce
travail n’aurait tout simplement pas pu être possible. Tout au long de ma thèse son encadrement scientifique et
technique m’a permis d’enrichir considérablement ma capacité d’analyse des phénomènes complexes propres aux lits
fluidisés et de maîtriser l’outil de mesure expérimental. Son investissement personnel a été primordial au cours de
l’avancée de cette thèse.
Je suis également très honoré de la participation des professeurs Jamal Chaouki, Benoît Oesterlé et Mohamed
Taqi, en tant que rapporteurs, et le professeur Christophe Gourdon en tant qu’examinateur, à mon jury de thèse.
J’exprime aussi toute ma gratitude à Messieurs le professeur Philippe Bournot et le Professeur Abdeslam Draoui,
qui m’ont toujours soutenu et qui ont été toujours disponibles pour me faciliter les conditions d’accueil à Marseille.
Je tiens également à remercier Monsieur Christophe Sierra, maître de conférences, pour l’aide précieuse qu’il m’a
offerte dans le choix des grandes orientations de cette étude.
Je dédie ce travail à ma famille, ma femme, mes amis Mustapha, Walid, Khalid, Ali, Alice, Jackeline, Marius, et
la liste est longue.



2










INTRODUCTION GENERALE …… …… … …… … … …… …… … …… …… …… …… …… …… … …… …. 1
CHAPITRE I. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DE LA FLUIDISATION GAZ-SOLIDE ......... 5
I.1. LA FLUIDISATION GAZ-SOLIDES : SYSTEME PHYSIQUE .......................................... 6
I.1.1. Régimes de fluidisation ...................................................................................... 6
I.1.2. Classification de Geldart ..................................................... 9
I.2. LIT FLUIDISE CIRCULANT (LFC)................................................... 12
I.2.1. Ecoulement gaz-particules dans les lits fluidisés circulant ................................................................ 13
I.2.2. Structure moyenne de l’écoulement ................................ 14
I.2.3. Paramètres clés du lit fluidisé circulant ............................................................ 14
I.2.3.1. Influence de ces paramètres sur le comportement du lit ............................. 15
I.2.3.2. Dépendance du comportement du lit aux paramètres opératoires ............................................. 16
I.2.4. Structure microscopique du lit ......................................................................... 18
I.3. LE REGIME DE FLUIDISATION TURBULENTE .......................................................... 23
I.3.1. Historique ......................................................................................................... 23
I.3.2. Modes de transition ......................................................................................................................... 24
I.3.3. Existence .......................................................................................................................................... 24
I.3.4. Bornes du régime de fluidisation turbulent ...................... 25
I.3.4.1. Vitesse de transition U ................. 26 c
I.3.4.2. Vitesse de transition U ................................................................................................ 27 k
I.3.5. Mécanismes de transition ................ 27
I.4. PROBLEMATIQUE ............................................................................................................. 28
CHAPITRE II. DESCRIPTION DE DISPOSITIF ET PROTOCOLE EXPERIMENTAL .... 31
II.1. DESCRIPTION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL ..................................................... 32
II.2. APPAREILS DE MESURES ................................................................................................ 35
II.2.1. Vélocimétrie Laser Doppler .............. 35
II.2.1.1. Vitesse de particule ....................................................................................................................... 35
II.2.1.2. Granulométrie ............................... 36
II.2.1.3. Partie logicielle .............................. 37
i
II.2.1.4. Caractéristiques du système PDA utilisé ...................................................................................... 37
II.2.2. Capteur de pression piézoélectrique ................................................................................................ 38
II.3. CONDITIONS OPERATOIRES ET PROTOCOLE DE MESURE . 39
II.3.1. Caractéristiques des phases fluide et solide ..................................................................................... 39
II.3.2. Protocole de mesure ........................................................ 40
II.4. IDENTIFICATION DE U ET U ....................................................................................... 41 C K
CHAPITRE III. COMPORTEMENT MOYEN ET FLUCTUANT DE LA PHASE SOLIDE
DANS LA ZONE SUPERIEURE DE LA COLONNE DE FLUIDISATION ................................ 45
III.1. COMPORTEMENT MOYEN DE LA PHASE SOLIDE ............................................... 46
III.1.1. Mouvement de la phase solide dans la direction axiale. .............................. 46
III.1.1.1. Vitesses axiales moyennes totales des particules ......................................................................... 46
Distribution 1 (dp = 107 µm): ...................................................... 46
Distribution 2 (d = 175 µm): ....................................................................................... 47 p
III.1.1.2. Séparation des particules suivant leur sens de déplacement (ascendant ou descendant) .......... 53
III.1.2. Discussions .................................................................................................................................. 63
III.1.2.1. Caractéristiques de la zone de survitesse et tentatives d'interprétations .... 63
III.1.3. Mouvement transversal de la phase solide .................................................................................. 68
III.1.3.1. Vitesses transversales moyennes totales des particules solides. ................. 68
III.1.3.2. Mouvement transversal partiel des particules solides. ................................ 70
III.2. MOUVEMENT FLUCTUANT ........................................................................................ 77
III.2.1. Mouvement fluctuant axial .......................................... 77
III.2.1.1. Ecarts types des vitesses axiales totales des particules RMSVpax. ............... 77
Distribution 1 ................................................................................................ 77
Distribution 2 : ............. 81
Comparaison des RMSVpax pour les distributions 1 et 2. ........................................... 82
III.2.1.2. Séparation des particules ascendantes et descendantes ............................................................. 83
III.2.2. Mouvement fluctuant transversal ................................................................ 88
III.2.2.1. Ecarts types des vitesses transversales totales ............................................. 88
III.3. CONCLUSION .................................................................................................................. 90
CHAPITRE IV. ETUDE DE LA TRANSITION ENTRE LE REGIME TURBULENT ET LE
REGIME DE FLUIDISATION RAPIDE ......................................................................................... 91
IV.1. INTRODUCTION ................................................. 92
IV.1.1. Rappel : les méthodes de détection de la transition .................................................................... 92
ii
IV.1.2. Qu’est ce qu’un régime de fluidisation ? ...................................................................................... 94
IV.1.3. Organisation du chapitre ............................................. 94
IV.2. ÉTUDE DES GRANDEURS TOTALES ............................................................................. 95
IV.2.1. Mouvement axial ......................................................... 95
IV.2.1.1. Au centre de la colonne (y/Y=0) .................................................................................................... 95
IV.2.1.2. En paroi (y/Y=1) ............................................................. 98
IV.2.2. Conclusion ................................. 100
IV.2.3. Mouvement transversal ............................................................................................................. 100
IV.2.3.1. Vitesse transversale totale (V ) ................................. 100 ptr
IV.2.3.2. Ecarts types de la vitesse transversale moyenne, RMSV , au centre (y/Y= 0)........................... 102 ptr
IV.2.4. Discussion .................................................................................................. 102
IV.3. GRANDEURS PARTIELLES ............................................................ 104
IV.3.1. Mouvement axial moyen ........................................................................... 104
IV.3.1.1. Au centre (y/Y= 0) ....................................................... 104
IV.3.1.2. En paroi (y/Y = 1) ......................... 105
IV.3.2. Mouvement axial fluctuant ........................................................................................................ 110
IV.3.2.1. Mouvement transversal (moyen et fluctuant) au centre de la colonne ..... 112
IV.3.2.2. En résumé : quelles informations nous apportent les grandeurs partielles ? ............................. 114
IV.4. DISTRIBUTION 3 (D = 69 µM) : QUELQUES RESULTATS QUI CONFIRMENT P
NOS OBSERVATIONS ................................................................................................................... 114
IV.5. DISCUSSION ....................... 116
IV.6. CONCLUSION ..................................................................................................................... 120
PERSPECTIVES ............................ 125
REFERENCES






iii
Nomenclature
Ar nombre d’Archimède (-)
D diamètre de la colonne de fluidisation (m)
d longueur axial du cluster (m) cl
d diamètre moyen des particules (µm) p
f fréquence de doppler (Hz) d
2G taux de solide en circulation (kg/m .s) s
-1G taux de particules descendantes dans la position de mesure (s )sd
-1G taux total de particules dans la position de mesure (s ) st
-1G taux total de particules au centre de la colonne (s )stc
-1G taux total de particules dans en paroi (s ) stp
-1G taux de particules ascendantes dans la position de mesure (s )sup
H hauteur de la colonne de fluidisation (m)
H hauteur statique du lit (mm) s
N nombre de particules dirigées vers le centre de la colonne (-) c
N nombre de particules dirigées vers la paroi (-) w
RMSV écarts-types de vitesse axiale de particules descendantes (m/s) dax
RMSV écarts-types de vitesse axiale de particules ascendantes (m/s) upax
RMSV écarts-types de vitesse transversale de particules dirigées vers le centre de la colonne (m/s) trc
RMSV écarts-types de vitesse transversale de particules dirigées vers la paroi (m/s) trw
U vitesse superficielle du gaz (m/s) g
Uvitesse de transition qui correspond au maximum des écarts types de la pression absolue c
(m/s)
U vitesse du gaz au delà de laquelle il n' y a plus aucune variation des écarts types de k
fluctuations de la pression (m/s)
U vitesse minimale de bullage (m/s) mb
U vitesse minimale de fluidisation (m/s) mf
U vitesse de transition défini par Bi et al , 1995 (m/s) se
U vitesse de transition mise en évidence par cette étude (m/s) se’
U vitesse de transition issue du taux de solide récupéré en sortie (m/s) se(exp)
U vitesse du transport (m/s) tr
V vitesse axiale de particules descendantes (m/s) dax
V vitesse axiale moyenne des particules (m/s) pax
V vitesse transversale moyenne des particules (m/s) ptr
V vitesse transversale de particules dirigées vers le centre de la colonne, (m/s) trc
V vitesse transversale de particules dirigées vers la colonne (m/s) trw
V vitesse axiale de particules ascendantes (m/s) upax
*V vitesse moyenne adimensionnée (-) p
*V vitesse moyenne adimensionnée maximale (-) pmax
*V vitesse moyenne adimensionnée maximale des particules ascendantes (-) upaxm
Y, un demi du diamètre de la colonne (m)
y abscisse latéral (m)
y/Y abscisse latéral adimensionné (-)
z/H hauteur relative de mesure (-)

Grecs

δ distance interfranges (mm)
3ρ densité de particule, (kg/m ) p
3ρ masse volumique du fluide (kg/m ) f
 concentration moyenne du cluster (-) cl
 concentration moyenne sur la section transversale (-) s
iv
λ longueur d’onde (nm)
Γ angle d’incidence en deux faisceaux laser (°)














v









Introduction Générale
1
Introduction

L’être humain et toutes les espèces vivantes sur terre sont aujourd'hui confrontés à un grand
nombre de problèmes graves. Parmi eux, le changement climatique, l’épuisement des
ressources, et plus généralement la préservation de notre planète, constituent des défis que
l'homme a décidé de relever.
Une prise de conscience mondiale naissante a conduit et conduira à des décisions politiques et
à des changements radicaux de nos comportements. Parallèlement, les ingénieurs et les
scientifiques doivent améliorer les techniques utilisées dans l'industrie ou bien créer des
technologies innovantes, capables de diminuer substantiellement l'impact de l'être humain sur
l'environnement afin d'offrir un avenir plus durable aux générations futures.
Inventé il y a bientôt un siècle, le réacteur à lit fluidisé reste une technique d'avenir qui permet
déjà aujourd'hui l'amélioration de divers procédés dans de nombreux domaines. On peut citer
:
- l'industrie chimique (gazéification du charbon, liquéfaction du charbon, craquage
catalytique du pétrole, pétrochimie, chimie minérale, régénération des échangeurs
d’ions,...),
- l'environnement (traitement des eaux urbaines, traitement des effluents industriels,
incinération d’ordures ménagères,...),
- production d'énergie (centrales thermiques à pétrole et charbon),
- biotechnologies (production d’éthanol, immobilisation d’enzymes, production de
bière),
- industrie pharmaceutique (production de médicaments, enrobage).

Historique
Le premier lit fluidisé a été développé par le chimiste allemand Fritz Winkler en Allemagne
en 1922 pour la gazéification du charbon. La technique a ensuite été utilisée avec succès dans
le procédé de craquage catalytique du pétrole aux Etats-Unis dès 1942. Les lits fluidisés ont
alors pris leur place dans l'industrie, surtout dans le domaine pétrolier.
Dans les années 1970, où le monde a commencé d’être soucieux de la préservation de
l’environnement, les industries de production d’énergie ont fait appel à la technique de
fluidisation comme technologie alternative pour la combustion propre du charbon à la place
des méthodes conventionnelles. L'utilisation de cette technique, notamment dans les centrales
électriques, a fait et continue à faire des progrès énormes en matière de réduction des
émissions de polluants tels que le soufre, les oxydes d'azote et les particules fines. Elle a
montré son efficacité en termes de capacité à brûler des combustibles, même de faible qualité,
tout en respectant les normes de combustion propre, de plus en plus sévères, imposées par les
organisations mondiales.
2