Lit fluidisé

En physique, dans l'étude de la matière molle, et en génie industriel, un lit fluidisé (ou de lit fluidifié) consiste en un mélange de solides et de fluide, qui permet de donner aux premiers — dits matériaux granulaires — certaines propriétés des seconds.

Schéma simplifié d'un réacteur à lit fluidisé.

Histoire

L'invention du lit fluidisé est attribuée au chimiste allemand Fritz Winkler, qui l'avait appliqué en 1926 à la combustion de charbon réduit en poudre[1].

Principe
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Typiquement, on peut réaliser un tel dispositif avec du sable. Le principe est d'injecter sous un lit de sable un gaz ou un liquide sous pression. Ce fluide va « soulever » et disperser les grains de sable.

On observe des propriétés caractéristiques des fluides : ondes, bulles[2], viscosité... Ces phénomènes peuvent également déstabiliser le lit fluidifié, et le faire « éclater », projetant alors de la matière solide.

Des variantes injectent un gaz pulsé ou provoquent la vaporisation du liquide dans le réacteur.

Il peut éventuellement être triphasique (c'est-à-dire gaz-liquide-solide.[3],[4].

Utilisations

C'est un principe qui a des applications techniques important en industrie et pour l'incinération de boues résiduaires[5] ou d'autres types de déchets[6] :

  • il permet des catalyses hétérogènes plus efficaces, on parle de « réacteur à lit fluidifié », ou FBR (de l'anglais : fluidized bed reactor) ;
  • des combustions plus complètes, on parle de « combustion à lit fluidifié », ou FBC (fluidized bed combustion). Cette propriété est notamment utilisée dans la gazéification ou pyrolyse à lit fluidifié[7], ou le craquage catalytique en lit fluidisé.
  • le transport de poudres (farines)
  • l'enrobage de poudres [8],[9]
  • l'épuration d'effluents industriels (ou non) par exemple pour la déphosphatation[10]
  • le séchage de graines[11], de particules, éventuellement en atmosphère contrôlée (par exemple sans oxygène pour éviter l'oxydation)[12]...
  • de l'imprégnation [13]
  • la chauffage solaire de gaz dans un four à concentration[14]

Le traitement théorique de tels systèmes est en revanche très complexe. En effet, les phénomènes turbulents et l'extrême dépendance du système aux moindres variations rendent très difficile toute approche non-statistique. On ne peut en général pas prédire son comportement mais seulement le décrire.

Une meilleure compréhension serait très utile pour mieux maitriser les fluctuations, parfois chaotiques, des lits fluidifiés.
Il a notamment été envisagé de stabiliser magnétiquement le lit fluidisé [15],[16]

Voir aussi

Références
  1. (en) Thèse sur l'approche stochastique des lits fluidifiés.
  2. (en) ANSYS CFX animation of fluidized bed, une animation du phénomène.
  3. Saberian-Broudjenni, M., Wild, G., Charpentier, J. C., Fortin, Y., Euzen, J. P., & Patoux, R., Contribution à l'étude hydrodynamique des réacteurs à lit fluidisé gaz-liquide-solide. Entropie, 20(120), 1984, 30-44
  4. Y. Fortin, Réacteurs a lit fluidise triphasique: caractéristiques hydrodynamiques et mélange des particules solides (thèse de doctorat), éd. Technip, 1984.
  5. Gratias, A. (2002). Contribution à l'étude de l'incinération des boues résiduaires humides en réacteur à lit fluidisé: Influence des conditions opératoires sur les émissions des micro polluants gazeux et des métaux lourds (Doctoral dissertation, Toulouse, INPT)|résumé.
  6. Marias, F. (1999). Procédé d'incinération d'un déchet modèle: de l'approche physique aux simulations en lit fluidisé (Doctoral dissertation, Pau)|résumé.
  7. Baumann, H., & Möller, P. (1991). Pyrolysis of hard coals under fluidised bed combustor conditions: distribution of nitrogen compounds on volatiles and residual char. Erdöl und Kohle, Erdgas, Petrochemie vereinigt mit Brennstoff-Chemie, 44(1), 29-33.
  8. Saleh K (1998). Contribution à l'étude de l'enrobage des poudres en lit fluidisé: étude expérimentale et modélisation du processus (Doctoral dissertation, Toulouse, INPT)|
  9. Chérif, R. (1994). Contribution à l'étude de l'enrobage des particules solides en lit fluidisé (Doctoral dissertation, Toulouse, INPT).
  10. Montastruc L (2003). Modélisation et optimisation d'un réacteur en lit fluidisé de déphosphatation d'effluents aqueux (Doctoral dissertation, Toulouse, INPT).|résumé
  11. Abid M, Gibert H & Laguerie C (1988) Analyse expérimentale et théorique des mécanismes de transferts de matière et de chaleur au cours du séchage d'un grain de maïs dans un lit fluidisé. Entropie, 24(139), 3-12.
  12. Mourad, M., Hemati, M., & Laguerie, C. (1994). Hydrodynamique d'un séchoir à lit fluidisé a flottation: Détermination des vitesses caractéristiques de fluidisation de mélanges de maïs et de sable. Powder technology, 80(1), 45-54|résumé.
  13. Desportes S (2005) Imprégnation en voie sèche en lit fluidisé. Application à la synthèse de catalyseurs supportés (Doctoral dissertation, Institut National Polytechnique de Toulouse).
  14. Bounaceur A (2008). Interaction lit fluidisé de particules solides-rayonnement solaire concentré pour la mise au point d'un procédé de chauffage de gaz à plus de 1000 K (Doctoral dissertation, École Nationale Supérieure des Mines de Paris).
  15. Arnaldos, J., Casal, J., & Puigjaner, L. (1983). Le lit fluidisé stabilisé magnétiquement: caractéristiques et possibilités d'application. Powder technology, 36(1), 33-38|résumé.
  16. Contal, P., Gonthier, Y., Bernis, A., & Lacour, G. (1992). Étude d'un lit fluidisé gaz—solide stabilisé magnétiquement par des aimants permanents. Powder technology, 71(1), 101-105|résumé.

Bibliographie

Liens externes
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