Guide Technique des Lits Fluidisés

1. Qu'est-ce qu'un lit fluidisé ?

Un lit fluidisé est généralement constitué d'une colonne contenant le solide à fluidiser (principalement des poudres, parfois des granulés de <6 mm de diamètre) et qui comporte à sa base une plaque de distribution permettant de souffler un gaz à travers le lit de particules. En haut de la colonne, une sortie de gaz est installée. Lorsque le gaz traverse les solides et atteint une certaine vitesse, le lit de solides se dilate, les particules se fluidisent, se comportant comme un liquide, et des bulles de gaz apparaissent.

Notez que certains lits fluidisés utilisent en réalité un liquide pour réaliser la fluidisation. Cet article se concentre sur le cas des gaz bien que certaines notions soient applicables dans le cas des liquides.

2. Comment fonctionne un lit fluidisé ?

Quel est le principe des lits fluidisés ?

Ce sont les éléments minimaux pour construire un lit fluidisé à l'échelle laboratoire, cependant, les systèmes industriels sont bien sûr plus complexes et peuvent inclure les éléments suivants :

• Un souffleur et échangeur de chaleur pour amener le gaz vers la colonne tout en contrôlant sa pression et sa température
• Un échangeur de chaleur dans la colonne, soit directement une bobine dans le lit de particules, soit une double enveloppe
• Une entrée et une sortie pour les particules
• Cyclones / filtres au niveau de la sortie de gaz avec possibilité de recycler les fines vers le lit fluidisé

La fluidisation des solides a pour conséquence de leur faire adopter un comportement proche de celui d'un liquide, le gaz entrant en contact avec toutes les particules et les maintenant en mouvement. Les lits fluidisés présentent ainsi l'avantage d'avoir d'excellentes propriétés de transfert de chaleur et de matière.

3. Écoulement des solides dans un lit fluidisé

Comment se comportent les poudres dans un lit fluidisé ?

Le comportement d'écoulement à l'intérieur du lit fluidisé dépend en réalité de la nature des solides et de leurs propriétés d'aération et de perméabilité. Grâce à de nombreuses expériences, Geldart a défini 4 groupes de poudres présentant des comportements distincts lors de la fluidisation (voir Graphique 1), et a créé un graphique permettant d'anticiper dans quel groupe une poudre donnée se situera.

Le critère clé différenciant ces groupes est la manière dont l'air va se répartir dans les solides : en formant de petites bulles uniformément réparties, de grosses bulles, des canaux, des jets... Il est crucial de connaître le comportement de fluidisation de la poudre, car cela a des conséquences directes sur les propriétés de transfert de chaleur et de masse du lit fluidisé, et donc sur la performance du système.

Graphique 1 : Classification de Geldart

La densité ρ_p des particules utilisée dans le graphique ci-dessus est définie comme la masse d'une particule divisée par son volume, y compris les pores ouverts et fermés.

Les groupes suivants sont définis :

• Groupe A : poudres aérables. Ces poudres retiennent très bien et de manière homogène l'air. Elles ont une faible perméabilité (voir paragraphe suivant) qui leur permet de retenir l'air dans le temps et de rester fluidisées.
• Groupe B : poudres de type sable, les interactions entre particules sont faibles, avec une faible perméabilité (voir paragraphe ci-dessous), ce qui signifie que les particules cessent d'être fluidisées dès que l'air est coupé. Les bulles peuvent grossir et atteindre le diamètre du lit fluidisé, créant des "pistons".
• Groupe C : poudres cohésives, le gaz ne pourra pas se répartir uniformément en bulles dans le lit de particules, mais formera plutôt des canaux (d'où le nom de "channeling"). Il est possible d'anticiper si une poudre appartiendra au groupe C en comparant les masses volumiques apparentes en vrac et tassées. Si le rapport tassé/vrac > 1,4, alors la poudre peut appartenir au groupe C.
• Groupe D : poudres "jetables", avec un comportement similaire au groupe B, bien que l'état de "jet" puisse être atteint, où une colonne de gaz peut se former au centre du lit fluidisé (ceci nécessite cependant que l'air soit injecté par un point unique plutôt que d'être distribué sur toute la base du lit de particules).

4. Vitesse minimale de fluidisation

Comment calculer la vitesse minimale de fluidisation d'une poudre ?

L'une des caractéristiques clés pour exploiter un lit fluidisé est la vitesse minimale de fluidisation, c'est-à-dire la vitesse d'air au-delà de laquelle le lit de particules commence à se fluidiser. Cette vitesse critique peut être calculée grâce à l'équation de Wen et Yu :

Équation 1 : Corrélation de Wen et Yu pour le calcul de la vitesse minimale de fluidisation [Rhodes]

Avec :
U_mf = vitesse superficielle minimale de fluidisation (m/s)
μ = viscosité du gaz (Pa.s)
ρ_g = densité du gaz (kg/m³)
d_v = taille des particules, en réalité le diamètre de la sphère ayant le même volume que les particules (m)
Ar = nombre d'Archimède
ρ_p = densité apparente des particules (kg/m³)

5. Perte de charge d’un lit fluidisé

Comment calculer la perte de charge d’un lit fluidisé ?

Une autre donnée clé à connaître pour concevoir ou exploiter un lit fluidisé est la perte de charge observée lorsque les particules sont fluidisées. En réalité, la perte de charge augmente avec la vitesse superficielle de l’air tant que cette vitesse reste inférieure à la vitesse minimale de fluidisation, une fois cette vitesse dépassée, la perte de charge se stabilise et reste constante (voir Graphique 2).

Graphique 2 : Perte de charge et hauteur du lit en fonction de la vitesse superficielle dans un lit fluidisé [Coco]

Dans la plupart des cas, cette perte de charge en fluidisation peut être calculée comme le poids du lit de particules divisé par la section transversale de la colonne.

Avec :
ΔP = perte de charge (Pa)
M_B = masse de poudre dans la colonne (kg)
A = section transversale de la colonne (m²)
ρ_p = masse volumique apparente des particules (kg/m³)
ρ_g = masse volumique du gaz (kg/m³)
ε = porosité du lit à la vitesse minimale de fluidisation (-)
H_mf = hauteur du lit fluidisé à la vitesse minimale de fluidisation (m)
Hs = hauteur du lit tassé (m)
ρ_BS = masse volumique du lit tassé (kg/m³)

6. Applications des lits fluidisés

À quoi sert la fluidisation des poudres ?

Aujourd’hui, les lits fluidisés sont largement utilisés dans de nombreux secteurs industriels. Ils trouvent notamment des applications dans les industries chimique et pétrochimique. En effet, des produits comme le lait en poudre instantané ou le café soluble sont fabriqués grâce à ce procédé. La possibilité d’éviter la dégradation pendant le séchage en fait également un procédé de choix pour l’industrie pharmaceutique.

Exemples d’applications des lits fluidisés :

• Craquage catalytique en lit fluidisé (FCC) : production d’essence à partir d’hydrocarbures plus lourds
• Production d’acrylonitrile
• Production de polyéthylène
• Combustion en lit fluidisé pour la production d’électricité
• Sécheur / Refroidisseur secondaire pour les procédés de séchage par pulvérisation

Cette liste n’est que partielle mais déjà très longue. De nombreuses industries utilisent le séchage par pulvérisation car il offre une technique de séchage en continu, avec un temps de séjour très court à température élevée, permettant ainsi, si le système est bien réglé, de sécher des composants thermosensibles.

Voici une section dédiée à la maintenance et au dépannage des lits fluidisés :

7. Maintenance et dépannage des lits fluidisés

Les lits fluidisés sont des systèmes robustes et efficaces, mais comme tout équipement industriel, ils nécessitent un entretien régulier et peuvent rencontrer des problèmes opérationnels. Une maintenance adéquate et un dépannage efficace sont essentiels pour garantir des performances optimales continues. Ci-dessous figurent les principales considérations pour l’entretien et la résolution des problèmes courants dans les systèmes à lit fluidisé.

7.1 Maintenance préventive

• Inspection et nettoyage : Inspectez régulièrement la colonne du lit fluidisé, la plaque de distribution et les échangeurs de chaleur pour détecter toute accumulation d’encrassement, de dépôts ou de matières étrangères. Nettoyez ou éliminez les obstructions pour maintenir une fluidisation homogène.
• Remplacement des particules : Avec le temps, les particules du lit fluidisé peuvent se dégrader ou se contaminer. Planifiez un remplacement périodique des particules pour assurer un fonctionnement constant et efficace.
• Maintenance de la plaque de distribution de gaz : Vérifiez la plaque de distribution pour détecter l’usure, l’obstruction ou les dommages. Tout problème peut entraîner une fluidisation inégale. Remplacez ou réparez la plaque si nécessaire.
• Contrôle des échangeurs de chaleur : Assurez-vous que les échangeurs de chaleur fonctionnent correctement. Toute inefficacité dans le transfert thermique peut affecter les performances du lit fluidisé. Réparez ou remplacez rapidement les échangeurs endommagés.
• Cyclones et filtres : Inspectez et nettoyez périodiquement les cyclones et les filtres à la sortie des gaz. Des filtres obstrués ou endommagés peuvent perturber le recyclage des gaz et causer des problèmes opérationnels.
• Évaluation des systèmes de sécurité : Vérifiez régulièrement les systèmes de sécurité, tels que les soupapes de sûreté et les mécanismes d’arrêt d’urgence, pour s’assurer de leur bon fonctionnement. La sécurité est primordiale dans les opérations de lit fluidisé.

7.2 Résolution des problèmes courants

• Fluidisation non uniforme : Si le lit fluidisé présente une fluidisation non uniforme, cela peut être dû à une granulométrie non homogène, à l’agglomération des particules ou à un effet de canalisation du gaz. Vérifiez la distribution granulométrique et, si nécessaire, remplacez les particules. Traitez les problèmes d’agglomération et envisagez de modifier la distribution du gaz pour éviter la canalisation.
• Agglomération du lit : L’agglomération des particules peut se produire si la température devient trop élevée ou si des particules à revêtement collant sont présentes. Réduisez la température de fonctionnement ou utilisez des agents anti-agglomérants ou des traitements de surface sur les particules pour prévenir ce phénomène.
• Variations de perte de charge : Une perte de charge incohérente peut résulter de l’accumulation de particules dans certaines zones du lit. Réajustez la distribution des particules, augmentez le débit de gaz ou procédez à un remplacement partiel du lit pour résoudre le problème.
• Défluidisation du lit : Si le lit perd sa fluidisation et que les particules se déposent, cela peut être dû à une vitesse de gaz inadéquate, un débit insuffisant ou une contamination des particules. Ajustez la vitesse et le débit de gaz dans la plage optimale et vérifiez que la qualité des particules respecte les spécifications.
• Émissions excessives : Des émissions plus élevées que prévu peuvent résulter d’une combustion incomplète, d’un nettoyage insuffisant des gaz ou d’un mauvais transfert thermique. Passez en revue et optimisez le processus de combustion, améliorez les systèmes de nettoyage des gaz et inspectez les échangeurs de chaleur pour détecter l’encrassement.
• Problèmes de qualité du produit : Si la qualité du produit ne répond pas aux normes souhaitées, examinez les problèmes liés à la dégradation des particules, au contrôle de la température et à la cinétique des réactions. Effectuez les ajustements nécessaires pour garantir une qualité de produit constante.
• Faible transfert thermique ou massique : Un mauvais transfert thermique ou massique peut provenir de l’encrassement de la colonne ou d’un dysfonctionnement des échangeurs de chaleur. Nettoyez ou remplacez les composants encrassés et réparez les échangeurs pour maintenir des processus de transfert efficaces.
• Fonctionnement cyclique : Un fonctionnement instable ou cyclique peut être causé par un contrôle insuffisant des variables telles que la température, la pression et le débit de gaz. Mettez en œuvre des stratégies de contrôle améliorées et des systèmes de surveillance pour stabiliser l’opération.
• Alarmes de sécurité et arrêts : Prenez au sérieux les alarmes de sécurité et les arrêts. Identifiez la cause de toute alarme et résolvez le problème avant de reprendre l’exploitation. Suivez les procédures d’arrêt appropriées en cas d’urgence.

Une maintenance efficace et un dépannage rapide sont essentiels pour assurer le succès continu des systèmes à lit fluidisé. Un entretien planifié régulièrement, des inspections approfondies et une résolution proactive des problèmes sont les clés pour garantir des opérations sûres et efficaces.

Source

[Rhodes] *Principes de la technologie des poudres*, page 124, Martin Rhodes et al, Wiley, 1990

[Coco] *Introduction à la fluidisation*, Coco et al, AICHE, 2014