Contribution expérimentale à l'étude du comportement hydrodynamique de l'écoulement gaz-particules dans les lits fluidisés PDF Download
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Book Description
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.
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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.
Author: Olga Batrak Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 25
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L'objectif de cette étude est la caractérisation hydrodynamique de l'écoulement gaz-particules d'une installation à Lit Fluidisé Circulant. L'étude numérique de faisabilité d'un calcul 3D Euler-Euler, instationnaire polydispersé sur une installation froide du type laboratoire montre d'une part la meilleure description de l'écoulement par un calcul bidispersé par rapport au calcul monodispersé, d'autre part les limites de la modélisation utilisée. L'introduction du modèle d'interaction par collisions entre différentes classes des particules permet la circulation des particules de diamètre plus important et un meilleur accord avec les mesures. Une base de données expérimentales est obtenue sur une boucle semi industrielle froide afin de valider la ségrégation des solides dans le foyer. La pression axiale, les flux massiques locaux pour les directions radiales et la diagonale, la distribution en taille des particules sont comparées aux simulations monodispersées et polydispersées.
Author: Ali M'Chirgui Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 356
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LES TRAVAUX PRESENTES DANS CE MANUSCRIT CONCERNENT LA CARACTERISATION DES INSTABILITES HYDRODYNAMIQUES DANS UN LIT FLUIDISE GAZ-PARTICULES. IL S'AGIT D'UNE INVESTIGATION EXPERIMENTALE DE L'ECOULEMENT A L'AIDE DE MESURES DE FLUCTUATIONS DE PRESSION ET DE VISUALISATION DU MELANGE GAZ-PARTICULES. CETTE ETUDE A PERMIT DE CARACTERISER L'ORIGINE ET LE COMPORTEMENT DES ONDES DE PRESSION AU SEIN DU LIT. LE MOUVEMENT FLUCTUANT DU LIT JOUE UN ROLE IMPORTANT DANS LES TRANSFERTS DE MASSE ET DE CHALEUR ET DANS LES PROCESSUS D'EROSION AU SEIN DES REACTEURS A LIT FLUIDISE. DANS LE REGIME ANNULAIRE, NOUS AVONS MONTRE L'EXISTENCE D'UN ETAT D'ECOULEMENT MACROSCOPIQUE STABLE ET REGULIER ATTEINT A UN DEBIT D'AIR CRITIQUE. CET ETAT SE CARACTERISE PAR DES FLUCTUATIONS DE PRESSION PERIODIQUES ET DES OSCILLATIONS DE HAUTEUR DE LIT REGULIERES. EN PARTICULIER, NOUS AVONS IDENTIFIE LA CORRELATION QUI EXISTE ENTRE CES DEUX PARAMETRES. LA TRANSITION DU REGIME ANNULAIRE AU REGIME TURBULENT SE TRADUIT PAR DES IRREGULARITES AU SEIN DU SIGNAL DE FLUCTUATIONS DE PRESSION. NOUS AVONS IDENTIFIE EXPERIMENTALEMENT L'ORIGINE DE CES INSTABILITES (RUPTURE DU CYCLE ANNULAIRE) ET NOUS AVONS CARACTERISE LA FREQUENCE D'APPARITION DE CES RUPTURES (INTERMITTENCE DE TYPE III). UNE APPROCHE THEORIQUE DE CES PHENOMENES POUR PREDIRE LES CARACTERISTIQUES DES FLUCTUATIONS DE PRESSION A ETE MISE EN PLACE. LE SECOND VOLET DE CES TRAVAUX TRAITE DE L'INFLUENCE DES FONCTIONS DE DISTRIBUTION EN TAILLE (FDT) DES POUDRES SUR L'HYDRODYNAMIQUE DE L'ECOULEMENT DANS UN LIT FLUIDISE ET PLUS PARTICULIEREMENT SUR L'ENTRAINEMENT DES SOLIDES. UNE ANALYSE EXPERIMENTALE (MESURES DE DEBITS DE SOLIDES ET ANALYSES GRANULOMETRIQUES) ET NUMERIQUE A ETE ELABOREE. EN PARTICULIER UN MODELE THEORIQUE POUR LA PREDICTION DES FDT DES SOLIDES ENTRAINES A ETE DEVELOPPE ET VALIDE PAR NOS EXPERIMENTATIONS.
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CE TRAVAIL EST UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE DES LITS FLUIDISES GAZ/LIQUIDE/SOLIDE INVERSES, FONCTIONNANT A CONTRE-COURANT DE GAZ ET DE LIQUIDE. CETTE TECHNIQUE CONCERNE LA MISE EN SUSPENSION DE PARTICULES DONT LA MASSE VOLUMIQUE EST INFERIEURE A CELLE DU LIQUIDE, CELUI-CI CONSTITUANT LA PHASE CONTINUE DESCENDANTE. LA PREMIERE PARTIE EST CONSACREE A L'HYDRODYNAMIQUE A TRAVERS LES LIMITES DU PROCEDE, LE COMPORTEMENT DU LIT, LES DIFFERENTES RETENTIONS DE PHASES AINSI QUE LES VITESSES MINIMALES DE FLUIDISATION. NOS ESSAIS, AINSI QUE CEUX PRECEDEMMENT ACQUIS AU LABORATOIRE, ONT ETE REALISES AVEC LE SYSTEME AIR/EAU, AVEC OU SANS INHIBITEUR DE COALESCENCE, POUR QUATRE TYPES DE PARTICULES, DE MASSE VOLUMIQUE, VARIANT ENTRE 30 ET 880 KG.M#-#3 ET DE DIMENSIONS VOISINES. DANS LA DEUXIEME PARTIE, NOUS NOUS INTERESSONS AU COEFFICIENT VOLUMETRIQUE DE TRANSFERT DE MATIERE K#L.A ENTRE LES PHASES LIQUIDE ET GAZEUSE. DANS LA LITTERATURE, NOMBREUSES SONT LES METHODES CONCERNANT LA MESURE DE CE PARAMETRE, MAIS ELLES SONT SOUVENT SPECIFIQUES A UN SEUL TYPE DE CONTACTEUR, VOIRE DE CONDITIONS OPERATOIRES. APRES EN AVOIR TESTE QUELQUES-UNES SANS SUCCES, NOUS AVONS CHOISI DE METTRE AU POINT UNE METHODE SPECIFIQUE QUI REPONDE A NOS CONTRAINTES TECHNIQUES. DES ESSAIS ONT D'ABORD ETE REALISES EN COLONNE A BULLES AFIN DE VALIDER LA METHODE. ILS SE SONT POURSUIVIS EN PRESENCE DE PARTICULES DE LIEGE, DE MOUSSE SYNTACTIQUE, ET DE POLYETHYLENE. LES RESULTATS PRESENTENT L'EVOLUTION DU K#L.A EN FONCTION DES VITESSES DU GAZ ET DU LIQUIDE. NOUS LES AVONS ENSUITE RASSEMBLES SOUS LA FORME DE CORRELATIONS ADIMENSIONNELLES
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CE TRAVAIL SE RAPPORTE D'UNE PART A L'ETUDE HYDRODYNAMIQUE DES LITS FLUIDISES DE GROSSES PARTICULES HOMOGENES ET D'AUTRE PART A CELLE DES COUCHES FLUIDISEES DE PARTICULES POLYDISPERSEES. POUR LE CAS DE PARTICULES HOMOGENES, NOUS AVONS ETUDIE L'INFLUENCE DE LA NATURE DU SOLIDE ET LES PARAMETRES GEOMETRIQUES DU LIT (DIAMETRE DE LA COLONNE ET LA HAUTEUR DU LIT). LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ONT PERMIS DE PROPOSER DES CORRELATIONS POUR ESTIMER LA VITESSE ET LE DEGRE DE VIDE AU MINIMUM DE FLUIDISATION AINSI QUE L'EXPANSION DES COUCHES. A PARTIR DE L'ANALYSE DES FLUCTUATIONS DE LA CHUTE DE PRESSION LE LONG DES LITS, NOUS AVONS PROPOSE DES CORRELATIONS POUR DETERMINER LES FRONTIERES ENTRE LES DIFFERENTS REGIMES DE FLUIDISATION (PISTONNAGE, TURBULENT ET TRANSPORT). QUANT A LA FLUIDISATION DES PARTICULES POLYDISPERSEES, LES ESSAIS ONT ETE REALISES AVEC DES LOTS DES PARTICULES AYANT UNE DISTRIBUTION GRANULOMETRIQUE DE TYPE ROSIN-RAMMLER-SPERLING. LES PARAMETRES RETENUS ONT ETE L'ETALEMENT DE LA DISTRIBUTION GRANULOMETRIQUE ET LE DIAMETRE MOYEN DES LOTS. NOUS AVONS PROPOSE DES CORRELATIONS PERMETTANT D'ESTIMER LES GRANDEURS HYDRODYNAMIQUES TELLES QUE LES VITESSES INITIALE ET COMPLETE DE FLUIDISATION, CELLE DE SEGREGATION AINSI QUE L'EXPANSION DES COUCHES
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Le manuscrit comporte deux parties : la première partie est une étude expérimentale de l'écoulement diphasique particules solides-air dans deux boucles de transport pneumatique de conceptions et de caractéristiques différentes. Des mesures de pressions et de débits massiques permettent d'établir les diagrammes caractéristiques (diagrammes d'état de type Zenz) et d'en déduire la vitesse minimale de transport (vitesse de saltation). Les résultats de cette étude apportent des données intéressantes sur les différents matériaux solides transportés. De nouvelles lois de corrélation entre le nombre de Froude à la saltation et le taux de charge sont proposées. La seconde partie est une contribution à la simulation numérique des écoulements gaz-solide. L'écoulement de la phase dispersée est modélisé par une approche lagrangienne (méthode des éléments discrets) prenant en compte les interactions particules-particules et particules-paroi. Le couplage avec les équations de la phase continue est assuré par l'introduction, dans les équations de Navier-Stokes, d'une variable taux de vide et par l'ajout d'une force volumique extérieure caractérisant l'influence en retour de la phase dispersée sur l'écoulement du fluide porteur. L'exemple choisi pour la validation du code est un écoulement de type lit fluidisé comportant 50000 particules. On s'intéresse en particulier, au suivi de l'évolution (naissance, croissance, sortie) d'une bulle de gaz au travers du lit.
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Ce travail de recherche porte, d'une part, sur l'étude de l'effet d'échelle sur le comportement hydrodynamique d'un lit fluidisé circulant. D'autre part, il met en évidence les modifications de la structure de l'écoulement lors de l'injection d'air secondaire dans la colonne, puis lors de l'utilisation d'un mélange de deux populations de particules de natures différentes. Le lit fluidise circulant est un pilote a l'échelle industrielle, constitué d'une colonne de section rectangulaire d'un mètre carré (0,8 * 1,2 metre) et de 9 mètres de hauteur. Cette installation met en suspension du sable de diamètre harmonique moyen 260 micromètres et de masse volumique 2620 kilogrammes par mètre cube grâce a une injection d'air. Malgré la taille industrielle de cette installation, les mesures des profils longitudinaux de pression ont permis d'identifier et de caractériser différents régimes d'écoulement, similaires à ceux observés dans une installation de laboratoire. Trois régimes d'écoulement avaient nettement été mis en évidence dans cette colonne de plus petite taille: le régime des profils semblables, le régime de transition i et le régime dense. La forme rectangulaire de la colonne du pilote industriel permet de découvrir un appendice du régime de transition i: le régime de transition ii. L'étude de la structure transversale de l'écoulement par les flux massiques locaux montre, localement, l'existence des mêmes régimes d'écoulement. Ce comportement hydrodynamique affecte, en même temps, la zone d'accélération et la zone d'écoulement établi. L'injection d'air secondaire ne modifie la structure axiale de l'écoulement qu'en dessous du port d'injection d'air secondaire. Au-dessus, la zone d'écoulement établi est localement perturbée: la forme des profils de flux locaux est modifiée. Le comportement hydrodynamique d'un mélange de deux populations de particules est constitué d'une succession de régimes d'écoulement analogues à ceux mis en évidence par chacune des populations de solides prise séparément. Ce résultat est analogue a celui obtenu sur l'installation de laboratoire.
Author: Javier Aguillon Martinez Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 230
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L'hydrodynamique du procédé de combustion de charbon dans un lit fluidisé circulant est étudiée. Cette étude vise, en particulier, l'effet de l'injection d'air secondaire sur le comportement de la suspension. Nous avons utilisé une installation pilote en similitude avec la centrale thermique de Carling (Lorraine, France). L'étude a mis en évidence l'existence de deux régimes hydrodynamiques séparés par une concentration critique de solide. La comparaison des diagrammes de régime, avec et sans air secondaire, a montré que cette concentration est unique dans les deux cas. La structure de l'écoulement diphasique a été étudiée au moyen d'une sonde de prélèvement non-isocinétique et d'une sonde à fibres optiques placées à trois niveaux de la colonne. La combinaison des techniques de prélèvement de solide et de mesure des vitesses de particules a permis de développer une méthode pour estimer la concentration locale de solide. L'étude des profils de flux massiques de solide a montré que la distribution des iso-flux dépend sensiblement de la vitesse superficielle du gaz. De plus, nous avons constaté que ces iso-flux sont indépendants de l'injection d'air secondaire. Par ailleurs, nous avons constaté que la configuration d'arrivée d'air secondaire dans la colonne, est très importante. Pour réduire l'influence de cette injection sur la structure de l'écoulement, il faut éviter la formation de jets au niveau de l'injection d'air secondaire. L'ensemble des informations obtenues dans cette étude, nous a permis de proposer des modèles de profils de flux massique et de concentration de solide sous forme de corrélations adaptées à une extrapolation industrielle.
Author: Pierre Bodelin Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 248
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Cette recherche avait pour vocation l'étude de l'hydrodynamique d'un réacteur à lit fluidisé circulant (L.F.C.), en particulier, quand deux populations de particules y sont mises en œuvre simultanément. Le L.F.C. utilisé, d'une hauteur de 10m, était constitué d'une colonne de transport de diamètre interne 144 mm, d'un système de séparation gaz-solides et d'une ligne de retour des solides. Il fonctionnait avec de l'air atmosphérique et à température ambiante. La gamme de vitesse de gaz utilisés s'étendait de 2 à 8 m/s, les flux moyens de solides variaient de 0 à 60 kg/m2/s et les concentrations massiques moyennes dans la colonne étaient comprises entre 0 et 30 kg/m3. Les solides étudiés étaient du sable (diamètre moyen de 200 m et masse volumique de 2 650 kg/m3) et du support de catalyseur de craquage (diamètre moyen de 50 m et masse volumique de 1 200 kg/m3). L'objectif final de ce travail étant l'étude du transport vertical d'un mélange bisolides, il a fallu dans un premier temps chercher à caractériser individuellement le comportement de chacune des espèces solides composant le mélange ; cette caractérisation passait par la mise en évidence de structures d'écoulement associées a l'apparition de régimes d'écoulement. C'est à partir de l'analyse des résultats propres au transport vertical d'une population unique de particules qu'il a été possible de mieux comprendre le comportement hydrodynamique d'un mélange de deux espèces solides. Cette recherche a permis de mettre en relief l'existence systématique de deux régimes d'écoulement séparés par une transition brutale, et ce, quelque soit le type de solide transporté, en mélange comme seul. Il a été démontré que chacun de ces régimes possède sa propre structure d'écoulement caractérisée par la loi de variation des flux locaux en fonction des variables globales (flux moyen ou concentration moyenne dans la colonne). Par ailleurs, ces caractéristiques hydrodynamiques ont corroboré certaines conclusions théoriques relatives aux lois gouvernant les champs de concentration et de vitesse locale des particules dans l'écoulement. Enfin, avec l'appui d'un modèle théorique basé sur l'existence d'un effet de seuil affectant l'évolution de la turbulence du gaz lors de l'accroissement de la concentration locale, il a été possible d'expliquer l'apparition des transitions de régimes d'écoulement lors du transport de particules en mélange comme seules.
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CE TRAVAIL PORTE SUR L'ETUDE DU COMPORTEMENT HYDRODYNAMIQUE D'UN JET DE GAZ VERTICAL ASCENDANT IMMERGE CENTRALEMENT DANS UN LIT DE PARTICULES AERE OU FLUIDISE. LES ESSAIS ONT ETE EFFECTUES SUR UNE COLONNE DE 320 MM DE DIAMETRE CONTENANT DES PARTICULES DE POLYSTYRENE DE 1,436 MM DE DIAMETRE MOYEN. LE JET ISSU D'UN INJECTEUR DE 20,3 MM DE DIAMETRE A ETE CARACTERISE EN MESURANT LES CHAMPS DE PRESSION ET DE VITESSE DE GAZ A L'AIDE D'UNE SONDE DE PITOT ALORS QUE SON EFFET SUR LE LIT ETAIT OBSERVE SUR LE PROFIL PARIETAL DE PRESSION. LES PARAMETRES DE L'ETUDE ETAIENT LA VITESSE D'AERATION DES PARTICULES, LA VITESSE DU JET ET ACCESSOIREMENT, LA MASSE DE PARTICULES DANS LE LIT. UNE APPROCHE THEORIQUE COMPLEMENTAIRE A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE QUELQUES PROPRIETES DE LOIS DE VARIATION AXIALE DES PARAMETRES DU JET, LOIS CONFIRMEES PAR LES RESULTATS EXPERIMENTAUX. LE MECANISME DE RESORPTION DU JET A PU ETRE MIS EN EVIDENCE
Author: Abdelghafour Zaabout
Author: Abdelghafour Zaabout
Author: Olga Batrak
Author: Ali M'Chirgui
Author: JEAN-YVES.. HIHN
Author: Katia Tannous
Author: Cédric Herbreteau
Author: AUDREY.. FABRE DUHAUTOIS
Author: Javier Aguillon Martinez
Author: Pierre Bodelin
Author: NAIM.. BADIROU