Agitation des particules dans un lit fluidisé liquide. Etude expérimentale

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Génie des Procédés et de l'environnement JURY François FEUILLEBOIS (Rapporteur) Juray DE WILDE (Rapporteur) Olivier SIMONIN (Examinateur) George HOMSY (Examinateur) Roberto ZENIT (Examinateur) Olivier MASBERNAT (Directeur de thèse) Ecole doctorale : MEGeP Unité de recherche : UMR 5503 Directeur(s) de Thèse : Olivier MASBERNAT Rapporteurs : François FEUILLEBOIS Juray DE WILDE Présentée et soutenue par Alicia AGUILAR CORONA Le 05 décembre 2008 Titre : Agitation des particules dans un lit fluidisé liquide. Etude expérimentale

  • las discusiones de música

  • brindándome reconfort en los momentos de duda

  • véritable amitié pleine de moments de rigolades

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  • rebasado las


Publié le : lundi 1 décembre 2008
Lecture(s) : 48
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 190
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En tant que procédé industriel, la fluidisation solideliquide est beaucoup moins répandue que la fluidisation gazeuse. Cependant, l’utilisation de lits fluidisés liquides recouvre une variété étendue d’opérations de transfert de masse, comme la cristallisation, la réaction catalytique hétérogène, ou encore le lavage ou la lixiviation de particules. De même, la classification de minéraux par la taille constitue une autre application de la fluidisation liquide. Les procédés de traitement des eaux usées mettent également en jeu les lits fluidisés liquides, notamment pour favoriser la croissance de biofilms (Epstein 2003). La modélisation pour le dimensionnement ou le contrôle de ces opérations requiert la connaissance à l’échelle de la particule, des interactions particulefluide porteur et interparticulaires dans le but de prédire par exemple, le taux de croissance des biofilms à la surface des particules, ou leur taux de détachement (Buffière & Moletta 2000). La fluidisation liquide constitue par ailleurs un cas d’écoulement intéressant au plan académique, pour tester les modèles diphasiques. Il s’agit de milieux denses, où l’agitation de la phase solide est induite par les interactions entre particules (hydrodynamique et collisionnelle), et la contribution de la turbulence propre de la phase continue y est, en règle générale, négligeable. Même si un lit fluidisé liquide n’est pas le siège de mélanges chaotiques comme le phénomène de bullage, et ne présente pas des transitions de régime d’écoulement aussi marquées qu’en fluidisation gazeuse (régime oscillant, à bulles et turbulent), il ne peut cependant être considéré comme un cas de fluidisation homogène. Des fluctuations de la concentration à grande échelle et à basse fréquence ont été en effet observées expérimentalement, et la dépendance des échelles spatiotemporelles
      caractéristiques de ces fluctuations avec le rapport entre la vitesse de fluidisation et la vitesse minimale de fluidisation, a été démontrée (ElKaissy & Homsy 1980). L’analyse de stabilité de l’état de fluidisation uniforme par la perturbation d’un modèle à deux fluides, constitue un sujet d’étude déjà ancien avec les travaux de référence de Jackson (1963), Murray (1965), Anderson & Jackson (1967), Anderson & Jackson (1968). Le développement de l’instabilité est dû à l’inertie de la particule et à la dépendance de la force de traînée visàvis de la concentration. La différence de vitesse entre la propagation de l’onde de concentration et la vitesse de la particule tend à accumuler les particules dans les zones de plus fortes concentrations, favorisant ainsi la croissance de l’instabilité. Dans ces équations, la pression granulaire (ou sa dérivée par rapport à la concentration, encore appelée élasticité) tend à s’opposer à l’établissement d’un gradient de concentration et donc au développement de l’instabilité. Les études expérimentales et théoriques du développement de cette instabilité ont conduit à diverses expressions de la pression et de la viscosité granulaires en fonction de la concentration (Needham & Merkin 1983, Batchelor 1988, Buyevich & Kapbasov 1994, AbuZaid & Ahmadi 1995, Anderson 1995, Glasser 1996, Duru 2002). En particulier, les tentatives d’identification de la pression granulaire (ou de sa dérivée par rapport à la concentration) par les analyses de stabilité dans l’équation du mouvement de la particule (Ham Duru 1990,  . 2002), révèlent l’origine inertielle de la pression granulaire. Les modèles de la pression granulaire (ou de l’élasticité) ou de la viscosité granulaire en fonction de la concentration dans un lit fluidisé liquide, peuvent alors trouver une justification dans les lois constitutives issues de la théorie cinétique des écoulements granulaires (Kinetic Theory of Granular Flow, notée KTGF), initialement développées pour la description de la température granulaire (mouvement fluctuant des particules à petite échelle) dans les milieux granulaires “secs”, autrement dit, sans effet du frottement visqueux par le fluide porteur (Lun . 1984, Jenkins & Richman 1985). Dans ce type d’approche, la pression et la viscosité granulaire sont des fonctions explicites de la température granulaire issues de la théorie (en supposant toutefois que la pdf des vitesses est proche d’une maxwellienne), et qui ne font pas apparaître de paramètres ajustables. En revanche, leur application aux écoulements dispersés nécessite la résolution d’une équation de transport de la température granulaire. Si dans ces modèles, les interactions entre les particules résultent uniquement des collisions (et non des interactions hydrodynamiques), il a été cependant démontré par Sangani (1996), que la prise en compte des effets du fluide interstitiel dans le taux de dissipation d’énergie, permettait de reproduire le comportement dynamique de
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      suspensions concentrées (incluant donc des interactions hydrodynamiques) soumises à un cisaillement homogène, pour une valeur finie du nombre de Stokes. Dans le cas de la sédimentation de sphères (Rep<<1), Koch (1990) est parvenu à établir des expressions des contraintes normales du tenseur des fluctuations de vitesse de la phase solide pour des particules à nombre de Stokes élevé (dont le temps de relaxation est plus grand que le temps entre deux collisions) et modéré (situation inverse). Il est ainsi parvenu à déterminer la température et la pression granulaire et les régions de stabilité de ces systèmes, mais limitées au cas des suspensions diluées. Cette approche a été étendue par la suite au cas des suspensions concentrées par Koch & Sangani (1999). Leur résultats montrent une dépendance 2/3 de la température granulaire en() avec une anisotropie marquée de la variance de vitesse. La pression granulaire augmente avec la concentration et passe par un maximum en milieu dense (fraction solide proche de 0.6) due à l’augmentation du taux de dissipation et à la diminution de l’agitation. L’étude de stabilité de l’équation du mouvement par ces mêmes auteurs a révélé un comportement instable pour les nombres de>5 (à l’exception des suspensions très diluées), c'estàdire dans la plupart des cas. Même si ces résultats sont conformes à l’évolution de la pression granulaire en fonction de la fraction solide, mesurées par Zenit la comparaison reste qualitative, du fait de la différence d’intensité (1997), d’agitation entre les simulations effectuées dans un milieu fluidisé homogène dans la limite des faibles Reun lit fluidisé à grand Re et , où celleci est dominée par les fluctuations à grande échelle. Les travaux de Koch (1990), Sangani (1996) et Koch & Sangani (1999) ont clairement démontré la pertinence de l’approche KTGF dans les lits fluidisés pour une plage étendue du nombre de Stokes, incluant le cas de la fluidisation liquide. Toujours en considérant le bilan productiondissipation, une approche simplifiée de la prédiction de la température granulaire d’équilibre dans les lits fluidisés homogènes (en l’absence d’effets collectifs), a été proposée par Wang & Ge (2005). Ces auteurs supposent que la distribution spatiale des particules est connue et indépendante des fluctuations de vitesses, supposées isotropes. Le terme source de la fluctuation de vitesse est dans ce cas proportionnel au produit de cette fluctuation par la fluctuation de concentration, de forme analytique connue (Buyevich 1994). Le bilan résultant conduit à une équation algébrique implicite sur la fluctuation de vitesse que l’on peut identifier, connaissant la valeur du coefficient de restitution. La pression granulaire déduite de la température granulaire calculée par ce modèle, a été testée avec succès sur les données expérimentales de Zenit (1997). Le bon niveau de prédiction de ce modèle sur ces données est toutefois surprenant. En effet, les conditions expérimentales testées ne correspondent pas a priori aux hypothèses du modèle,
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      comme l’absence de grande échelle et la décorrélation entre les fluctuations des particules et les fluctuations de concentration (ou le facteur de structure de la densité de concentration). Afin de palier l’absence des grandes échelles dans les modèles de fluidisation “homogène”, Buyevich (1999) a introduit une contribution pseudoturbulente dans la pression granulaire qui est proportionnelle à la variance de la fraction solide. En combinant cet effet avec un modèle semiempirique d’une contribution induite par la montée d’une “bulle”, il parvient à bien reproduire les tendances expérimentales de Zenit (1997) dans une large plage de concentration. Ce modèle empirique suppose cependant un couplage entre le mouvement à grande échelle et la température granulaire qui n’a pas été validé. Pour décrire le mouvement fluctuant dans un lit fluidisé par une approche de type KTGF, une formulation instationnaire des équations couplées du mouvement moyen et fluctuant est nécessaire (Simonin 1991, Ding & Gidaspow 1990). Une telle formulation suppose une séparation d’échelles entre le mouvement à grande échelle induit par les effets collectifs (gradients de concentration) et le mouvement à petite échelle, la température granulaire. Tout comme dans les écoulements turbulents instationnaires, cette séparation est purement formelle, comme le suggère la continuité des densités spectrales de la fluctuation de concentration dans un lit fluidisé (Didwania & Homsy 1981, Zenit & Hunt 2000). Gidaspow ont été les premiers à tester l’approche KTGF dans un lit (1991) fluidisé liquide, sur les données expérimentales de Carlos & Richardson (1968). Leur approche, quoique négligeant l’effet du fluide interstitiel dans les propriétés de transport de la phase solide, reproduit qualitativement les données expérimentales. Gevrin (2002), a évalué un modèle eulérien issu de la KTGF sur 3 cas tests expérimentaux de lits fluidisés de particules d’inertie contrastée, extraits du travail de Zenit  (1997). Leur modèle prend en compte l’effet du fluide interstitiel, dans les propriétés de transport de la phase solide et la dissipation d’énergie. Bien que les simulations aient été réalisées en géométrie 2D, les résultats de leur modèle ont reproduit correctement les tendances expérimentales de la pression granulaire (mesurée à la paroi) en fonction de la concentration (Gevrin Ces auteurs ont par ailleurs constaté que l’accord était 2008). d’autant meilleur que l’inertie des particules était élevée, un résultat conforme aux attentes. La simulation du mouvement à grande échelle a de plus permis de calculer la variance de la fraction solide et sa densité spectrale. L’accord avec les données expérimentales de Zenit & Hunt (2000) est là encore très satisfaisant, notamment sur la reproduction des ondes de concentration. En particulier, à forte concentration et pour les nombres de Stokes les plus élevés (particules d’acier de 4.5mm dans l’eau), le développement 1D d’ondes planes de
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      concentration suivant la hauteur du lit a été reproduit (Gevrin  soumis). La forme asymétrique de ces ondes est étonnamment proche de celle observée par Nicolas . (2005) et Duru  (2002). A ce sujet, l’examen des termes de production et de dissipation dans l’équation de la température granulaire est très instructif. Il montre en effet que dans le cas général, la production est dominée par la contribution des gradients moyens de la vitesse, et la dissipation est contrôlée par la traînée visqueuse, même aux concentrations élevées. En revanche, pour les particules de plus forte inertie et à concentration élevée, l’apparition des ondes de concentration correspond à un contrôle de la production par les termes de compressibilité, proportionnelle à la pression granulaire et à la divergence de la vitesse des particules. D’autre part, les termes de dissipation sont dans ce cas induits par les collisions (Gevrin 2008). Il est ici intéressant de noter que l’évolution de la pression granulaire prédite par ce type d’approche, est d’une part en bon accord avec l’évolution de la pression granulaire mesurée par Zenit mais qu’elle est également compatible avec les données (1997), expérimentales de Duru Ces auteurs ont identifié la viscosité et l’élasticité (2002). granulaire, déduites de l’introduction dans l’équation 1D du mouvement (Anderson , 1995), de la forme analytique de l’onde de concentration mesurée. L’évolution de l’élasticité ainsi identifiée, présente un plateau en fonction de la concentration et devient négative près de la concentration de compacité maximale, démontrant ainsi l’existence d’un maximum de la pression granulaire dans cette plage de concentration. Les résultats obtenus avec les modèles dérivés de la KTGF tendent à confirmer la pertinence de cette approche pour la description du mouvement fluctuant dans les lits fluidisés liquides. Beaucoup de questions restent cependant en suspens. En premier lieu, il est important de déterminer la limite d’applicabilité de ces modèles, notamment en termes de limite inférieure du nombre de Stokes. D’autre part, l’allure des spectres eulériens de concentration calculés par ce modèle, suggère la présence de fluctuations basse fréquence, y compris à faible concentration. Si à forte concentration, cette fluctuation se traduit par une onde de vide, à faible concentration elle semble correspondre à la formation d’agrégats ou de clusters, une tendance qui semblerait confirmer les analyses de Glasser  (1998). La reproduction de cette transition de régime en fonction de la concentration par les modèles statistiques est un enjeu important. L’effet des collisions sur l’agitation des particules a déjà été démontré (Lun & Savage 1986, Goldschmidt 2001). La fréquence de collisions et le coefficient de restitution dans ces systèmes, sont deux paramètres importants à déterminer. Dans les écoulements à
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