Analyse des conditions de fonctionnement du distributeur à billes

Technology. 22 (1979) 59 - 69 0 Elsevier Sequoia S-A.. Lausanne - Printed In the Netherlands

Powder

Analyse

des Conditions de Fonctionnement

59

du Distributeur i Bilks

N. HIQUILY, J. P. CGUDERC et H. ANGELINO Institut du G&de Chimique (Retp

-

Chemin de la Loge, 31078 Toulouse

Cedex

(France)

le 15 juin 1978)

RESUME

Un nouveau type de distributeur de gaz pour fluidisation de particules solides est Ctudie. Une des caractkistiques essentielles est la faibie chute de pression qu’il impose a l’&oulement gazeux tout en induisant la naissance des bulles de facon tres r&uli&e. Les r&ultats expkimentaux pr&ent& debouchent sur I’etablissement de regles pratiques d’emploi du dispositif. Le distributeur 2 billes s’avere particulierement interessant pour la construction de colonnes multietagees 2 circulation de solide i contrecourant du gaz.

SUMMARY

A new type of gas distributor, the ball distributor, is presented_ Its main advantage is a very low pressure drop for the gas, while inducing a very uniform formation of gas bubbles. The experimental data obtained result in some simple rules for the design of the distributor_ A particularly interesting application of the ball distributor concerns the development of multi&age equipment_

particulier sur le phenomene du bullage, caract&istique des milieux fluidis& par un gaz. Nous presentons ici les propribtis d’un nouveau dispositif, recemment mis au point [1,4] : Ie distributeur a billes. ANALYSE

BIBLIOGRAPHIQUE

De nombreuses etudes ont et& consacrees 5 l’analyse de la distribution du gaz dans une couche fiuidisee. juger de la qualit d’un distributeur donne implique d’abord que l’on ait fait I’inventaire des propri&% qu’on lui demande. A quelques divergences pres, les auteurs qui ont trait& de ce sujet s’accordent sur une liste de qualitds que doit posseder un distributeur. A titre d’exemple, nous citons les critkres proposes par Zuiderweg [5] : distribuer le gaz de facon uniforme et eviter la formation de zones non fluidisees, empikher les pertes de solide par pIeurage, minimiser l’drosion du solide au niveau de l’introduction du gaz, reduire les risques de colmatage du distributeur. De facon g&r&ale, on distingue deux cat& gories de distributeur:

INTRODUCTION

Les milieux poreux consolid& Ces distributeurs tels que les verres frittks,

La fluidisation d’un solide par un gaz est un pro&d& tr& souvent mis en oeuvre dans I’industrie chimique avec des objectifs tres var2.s: mClanges de solides, chauffages et rerroidissements de gaz ou de solides, kchages, adsorptions, r&actions chimiques catalysks ou non, etc. La r&lisation technique d’un appareiIlage convenable soul&e de nombreux problGmes_ Parmi ceuxci, la mise au point d’rm distributeur de gaz satisfaisant prend une -2nportance considkable en raison de I’infhrence nette de cet QGment sur la structure des couches et en

les ckuniques poreuses, les metaux f&t&, etc. permettent d’obtenir des couches fluidisees de structure r&uliere [6,8] _ Ce type de distributeur n’est toutefois pas utiIis& dans I’industrie: la chute de pression est en effet particulierement BlevGe dans les conditions usuelles d’emploi [9, lo] et les risques de colmatage sont importants. Les dispositifs d perforations

ou tuy&es

Dans ce cas, l’alimentation en gaz s’effectue par un nombre limit& d’orifices; la distribu-

60

tion du gaz n’est par corkquent uniforme qu’en moyenne. D’autre part les jets de gaz, form& au-dessus des orifices, provoquent une &v&e attrition des particules [ll] quand la vitesse du gaz est ilevCe. Pour Qliminer cet inconvckient, les distributeurs 5 perforations sont souvent munis de calottes qui permettent, de plus, de reduire les fuites de particules i travers les orifices [ 53 _ Cependant les risques de colmatage et la formation de zones mortes & la base de la couche sont de ce fait g&&a.lement favoris& [S] _ Dans le cas des deux types de dispositif citb, il est admis que Ia chute de pression & travers le distributeur doit Qtre telle que [lo] : AP,

min =

Max(O,lA&

-

35 cm d’eau -

-

lOOAP,)

oti A&, min est la chute de pression minimale 2 travers le distributeur pour obtenir une fluidisation uniforme, A& la chute de pression & travers la couche fluidisee, et AP, la perte par friction provoq&e par l%largissement de la section droite avant l’entrie dans la colonne. Le distributeur 5 billes est un nouveau type de distributeur. Rappelons sa description [I - 43 : il est constituQ d’une couche fixe de billes sphkiques lourdes supportGe par un 61Cment de haute porosit& La charge de solide h fluidiser repose directement sur la surface plane et horizontale de la couche de billes. Des investigations rapides [l, 31 ont montre que ce distributeur possede des propri&k int& ressantes. II satisfait parfaitement aux exigences usuelles dnun-k~es prkkdemment, il est de bonne permCabilit& aux poussikes et fines; enfin sa rkistance 2 i’kotiement gazeux est de &s faible valeur: de l’ordre de quelques millimetres d’eau pour des couches fluiclisCes de faible Qpaisseur. Cette dernike caractkistique est particulikement remarquable si l’on se ref&e aux chutes de pression g&Gralement admises pour les autres distributeurs. Les m&hodes d%tude du fonctionnement d’un distributeur sont le plus souvent assimil&es aux methodes d’Btude de la couche fluidis&e elle-mbme. Nous les classons dans les trois catkgories suivantes: Observation

externe

de la couche

fZuidi.s&e

L’observation peut Stre rialis& soit ?Itravers les parois de la colonne, notamment dans

le cas de colonnes bidimensionnelles [12 - 141, soit au niveau de sasurface supkieure [15,16j _ Observation interne de la couche par mdiographie Les rayons X sont frGquemment utilisk

pour obtenir des images de l’intkieur des couches fIuidi&es 117, IS] _ Cette mBthode permet d’atteindre une information plus compl& te sur les phknomkes, elle nkessite cependant un appareillage trk sophistique d’un coQt trk &lev& Utilisafion

de sondes

Les sondes employees pour detecter les bulles sont de nature tr& variCe. II faut toutefois signaler que, quel que soit le modgle adopt&, on s’accorde 5 reconnaikre que la couche est perturb&e par la pr&ence de telles pikes, ce qui rend I’interprGtation des signaux obtenus delicates.

POSITION

DU PROBLEME

Nous avons choisi comme critke principal, pour juger de la qualit du distributeur, L’uniformiti de distribution spatiale des bulles. Comme nous le dkvelopperons par la suite, nous gvaluerons cette distribution en observant les Qclatements de bulles au niveau de la surface supkieure de la couche fluidis&. Auparavant, prkisons la list-e des variables du systime dans le cas d’un fonctionnement isotherme et i composition constante. Seize variables sont nkessaires pour caractkiser le systGme, c’est&dire, la couche fluidide, le distributeur et la colonne (Tableau 1). Les considkations suivantes sur cinq d’entre elles permettent de reduire le nombre de variables 1 onze. La nature du support du distributeur Nous utilisons des supports de haute poro-

sit& n’imposant pratiquement pas de chute de pression au gaz et aucune influence de cette pike de l’appareillage n’a Bti not&. Le rangemenf des billes du distributeur Nous constituons des couches de billes en vrac dont 1’8tat est suppos& reproductible en moyenne.

61 TABLEAU

1

Liste des variables du systeme Couche fluidis& Particules solides forme taille moyenne masse volumique distribution granulometrique hauteur de la couche GCZ masse volumique viscosite Equilibre dynamique vitdu gaz acceldration de la pesanteur

Distributeur

@P % 4 H. Pf

P u g

N. B. Les colonnes sont cylindriqucs, ment 1 la pression atmospherique.

La forme

Support m&anique caract6ristiques Billes forme taille moyenne distribution granulomgtrique rangement hauteur de la couche

@iI 4,

Nd

Colonne diametre

D

5 section droite circulaire et fonctionne-

des billes

Les billes adopties pour la construction d’un distributeur sont sensiblement sphk-iques. Quelques essais ont montre qu’il n’est pas souhaitable d’adopter des particules non sensiblement sphkiques. Nous avons constat6 que des couches fixes de structure reguliere sont diffitiles 5 obtenir avec des particules de forme angulaire. Cette difficult6 est probablement a l’origine de la mauvaise uniformit& de fluidisation g&Graiement obtenue dans de telles conditions. La distribution granulome’trique des particules fluidis&es et des billes du disiributeur Nous nous sommes limit& au cas de parti-

cuIes et billes de diametre uniforme. Dans les lots disponibles dans le commerce, sous forme d’ensembles de granulom&ie etalee, nous avons &pare, par tan&age, des fractions comprises entre deux mailles successives d’ouverlures de tamis de la norme NFX 11-501. Une analyse dimensionnelle sur les onze variables restantes fait apparaiie les huit groupes adimensionnels suivants:

oti 7 d6signe le poids specifique, g(p, - &, des particules fluidis&s. Etant dorm& le nombre f&s &lev&de variables, certaines d’entre elks ont Qt&fib&es, notamment les propri&% du gaz pf et cr.

La liste des variables retenus pour notre &tude est finalement la suivante: ’

HS

u2Pf

dP

yd,

p,-.-

TECHNIQUES

6

’ d,

D ’ dp

EXPERIMENTALES

Le choix dune methode d’analyse convenable pour l’etude du comportement du distributeur B bilies est delicat. En effet, dans le cas qui nous intkesse particuli&ement, oti les hauteurs de couches fiuidishes sont tres faibles (quelques millimi?tres a quelques centim%res), les methodes d’analyse courantes sont inutilisables: sondes et rayons X ne peuvent detecter la presence de tres petites bulles en grande concentration et permettre d’&aluer un indice d’uniformite de fluidisation. En raison, d’autre part, du nombre eleve de parametres, une methode de mesure simple et rapide s’avere necessaire pour examiner le plus grand nombre possible de situations diffirentes. Une methodologie particuliere a done et4 mise au point. Elle consiste en une combinaison d’une observation visuelle, tres rapide mais peu precise et subjective, avec des tests par une technique photographique plus sophistiquCe mais plus lourde a mettre en oeuvre. Ces deux methodes originales ont enfin et& confirmees pour quelques experiences par une troisigme d’emploi courant: l’an&momCtrie 2 fil chaud.

L’observation visuelle Elle consiste a examiner la surface sup6 rieure de la couche et a affecter I’uniformitC de distribution des iclatements de bulles d’une note, appelee indice d’uniformiti visuel (I’JV), pouvant prendre cinq valeurs: IUV = 1: mauvaise fluidisation; l’ecoulement du gaz se fait avec d’intenses passages prCf&entiels laissant la quasi-totalit. de la couche non fluidisee. IUV = 2: fluidisation mediocre avec passages preferentiels, bullage partiel, laissant non fluidisee une fraction importante de la couche. IUV = 31 fluidisation convenable; le bullage occupe la majeure partie de la section droite, mais il existe des zones non fluidisees. IUV = 4: bonne fluidisation; toute la couthe est fluidisee, mais la densite des bulles par par unit6 de section droite ainsi que la taille des eclatements ne sont pas uniformes. I’JV = 51 excellente fluidisation; toute la couche est fluidisee et la densit par unite de section droite ainsi que la taille des eclatements sont jugees uniformes.

avec un ohmm&re_ On d&finit alors un indice d’uniformit6 de la luminosit6 de l’image entiere IUP, qui est assimile i l’indice d’uniformite de la distribution spatiale des bulles, en calculant le coefficient de dispersion d des 192 valeurs de resistances Blectriques enregistrees (rapport de l’Ccart-type a la moyenne arithmetique)

La technique photographique L’Gvaluation de 1’uniformitG de fluidisation par cette methode a et6 effect&e dans une colonne d’echelle iaboratoire (diametre 0,194 m)_ Elle met en jeu deux operations. La surface de la couche fluidisee est tout d’abord photographiee avec un temps de pose tr&s superieur i l’intervalle de temps moyen entre eclatements de bulles. Le film utilise est de faible sensibilite (3 ASA). Toutefois, afin d’accentuer le contra&e entre les zones de passage preferentiel du gaz et les zones environnantes, une mince couche de particules legeres, de teinte differente de celle du solide fluidise, est deposee sur la couche. Les particules leg&es, flottant sur la couche, dblimitent parfaitement l’ampleur des passages prCferentiels. En effet, elles abandonnent les zones de bullage intense, dont elles sont repousdes par les eclatements de bulles, et s’accumulent dans les zones relativement peu agitees. En un dew&me temps, le negatif photographique est projet sur un &-an et analyse. L’image sur l’Ccran, de la surface circulaire de la couche fluidisee, est divisee en 192 elements de surfaces &gales. La luminosit.6 de chaque Clement est enregistree i I’aide d’une cellule photosensible dont la r&istance est mesuree

IUV

IUP=l-d L’investigation par cette methode est longue mais permet une etude convenable en colonne de diam&re 0,194 m car on peut ensuite analyser une image agrandie par projection du rkgatif. Le tableau 2 donne la correspondance entre les Cchelles de valeurs obtenues au moyen de ces deux premieres methodes d’analyse. Elle a et& etablie a partir d’un tres grand nombre d’expk-iences. TABLEAU

2

Comparaison des Gchelles de valeurs des deux methodes d’analyse.

1 2 3 4 5

o-35 35-75 45-60 60 - 70 70 - 85

L’an&nomEtrie d fil chaud Ce pro&de nous a servi a enregistrer le profil de vitesse du gaz au-dessus des couches fluidishes de grande surface (colonne de diametre 1 m). L’appareil employ6 est un an&momGtre 5 basse vitesse DISA, type 55 D 80/81, qui permet des mesures de vitesse comprises entre 0 et 2 m/s. II s’agit d’une technique id&ale en principe puisque l’on peut ainsi obtenir le profil de vitesse moyenne dans le temps. Neanmoins, l’investigation est longue, delicate, en raison notamment de la fragiliti de la sonde, et ne peut s’effectuer que sur une colonne de grande taille permettant une exploration spatiale suffisamment fine.

63

teurs, enfin le rapport de la vitesse du gaz a la vitesse minimale de fluidisation des particules.

ycprruw

d-m-

RESULTATS

-------J

r

b~oge&g,-mde&helk

Fig_ 1. Schema de I’appareillage DISPOSITIFS

expikimental.

EXPERIMENTAUX

Appareillage d IZchelle laboratoire (Fig. la) 11 est constitue d’ime colonne cylindrique transparente de 0,194 m de diam6tre et 0,30 m de hauteur en altuglass. Un surpresseur lui foumit un debit d’air maximal de 50 m3/b sous une pression de 0,4 bar. Le debit est mesure au moyen d’un jeu de rotametres. Une prise de pression est m&nag&e dans la boite a vent pour mesurer la chute de pression subie par le gaz i la traversee du distributeur et de la couche fluidisee. La prise de pression est reliee 2 un manometre 5 eau inclinable_ Appareillage a’grande khelle (Fig_ 1 b) II s’agit d’une colonne cylindrique de diametre 1 m et de hauteur 0,30 m, ahmentee en air par un ventilateur de debit maximal 2000 m3/h Le debit est mesur6 au moyen d’un venturi. La bar% i vent est munie d’une prise de pression relide 5 un manombtre 5 eau.

EXPERIMENTAUX

L’influence de chaque groupe adimensionel defini precbdemment a et& &ah&e pour 7 matkiaux fluidis& diffkents (Tableau 3), dans la colonne de 0,194 m de diax&tre, et pour 2 matk-iaux dans la colonne de 1 m de diamhtre. Un exemple type des r&ultats est present& pour chacun des groupes. La plupart des exemples sont choisis parmi les cas oh les deux mkthodes visuelle et photographique ont 61% utilisees. Il est ainsi possible, simultan& ment, d’Qtablir une comparaison entre cellesci, c’est-&dire de juger de l’efficacite de la methode visuelle. Notons que la comparaison a et& uniquement entreprise dans le cas de couches fluidisees de sable. Les particules versees 5 la surface de la couche fluidisee, necessaires pour la rklisation des photographies, sont de charbon actif. Influence de d,,id, Le rapport entre le diar&tre db des billes du distributeur et le diametre dP des particules fluidisees varie par l’intermediaire du diametre des billes du distributeur. Les courbes de variation des indices d’uniformit6 photographique et visuel, IUP et IUV en fonction de db/dP (Fig. 2) conduisent aux m6mes conclusions. Elles indiquent qu’il existe une plage de valeurs de d,,/d, (d,, /dP < 3) pour lesquelles l’uniformite demeure au plus haut degr& Pour des valeurs supkieures, l’uniformite de fluidisa-

Covche ilud&e

Produiis util&& et conditions e.xp&imeniales Le gaz employ6 est de Pair 1 tempkature ambiante. Le TabIeau 3 indique la nature des mat& riaux fluidis&, leur type suivant la classification de Baeyens et Geldart [19], la forme des particules fluidisBes, leur kille moyenne et leur masse volumique, la hauteur des couches fluidisees (hauteur mesur& apr& fluidisation puis a&t de l’alimentation en gaz), le diam& tre des billes du distributeur (billes sphkiques en acier ordinaire), 1’6paisseur des distribu-

Fig. 2. Influence

de dbfd,

sur JXJV et IUP.

IUP cf., -.+

65

tion se d&Sore brusquement, ce qui se traduit par une ddcroissance de JUV de 5 B 1 et une decroissance de IEJP de 70% B 25%. A l’apparition de passages preferentiels de gas s’ajoute le phenomene de pleurage des particules Q travers le distributeur, particulierement aux a.Gts du courant gaxeux, des que dJd, > 2,5 environ Influence de HJdp Le rapport entre l’~Zpaisseur H* du distributeur et le diametre d, des psrticules fluidi&es varie par l’intemkliaire de l’kpaisseur du distributeur. Les courbes de variation de IUV et IDE’ en fonction de HJd, (Fig. 3) prouvent que l’unifonnit& de fluidisation s’ameliore lorsque Hd/dp augmente, puis reste con&ante. IIJV -o-

KJP WI -.-

5

8-

ccudle

I R

flldisie

$=282,5 %=78

w WI* __

sb” .5

.3 L

///zm

;

7O T

l&B&m 2

db= 715 @m t+j= 7lO-3,

30.

(1

DE RC lO4n

20.

50

sotae

.

3

Influence de U2pf/7d, Le groupe @p,/rcI, evolue par I’internGdiaire de la vitesse U du gax. Les courbes (Fig. 5) montrent qu’une augmentation de ce nombre permet d’am2iorer l’uniformit6 de fluidisation. Les experiences dont nous venons de rendre compte, indiquant l’influence de quatre variables, sont Bgalement significatives du bon accord qualitatif et quantitatif entre les deux methodes d’analyse. Elles montrent tout l’int&r& d’une analyse visuelle rapide pour une prise de contact avec le ~hBnomene_

Mm

50

10-3,

3

5

Fig. 5. Influence

Fig. 3. Influence

de HJdp

SIX IUV

et JIUP

Influence de Hs/dp Le rapport entre la hauteur Hs de couche fluidisee et le diam&re dp des particules fluidisCes varie par l’interm&ba.ire de la hauteur de la couche fluidis&e. Les courbes de variation des indices d’uniformit& (Fig. 4) montrent qu’une augmentation de HJdp s’accompagne dune degradation de l’uniformit6 de fluidisation.

+=282,5.a-6, Hd=7.1c-3m UC72

loJrn,s=l8u~

$+WO-h D=l% 10-3,

60

5

t3gmdp,ti

6

7

8

de U2pfJydp sur IUV

9

10

10

et IUP.

Influence de D/d, Les experiences ont et& rCXis~es dans deux colonnes de diametres respectifs 0,194 m et 1 m_ Elles montrent que pour des -&ouches fluidis&es de quelques centim&res d’epaisseur, le rapport entre le dianGtre D de la colonne et le diametre d, des particules fluidisees n’a pas d’effet sensible sur l’uniformit6 de fluidisation. Cette conclusion doit cependant probablement i2tre corrigee pour des couches plus Bpaisses. Influence de Q,, L’ensemble des experiences indique que le facteur de forme & des differents matkriaux fluidis& utiis n’est pas un parametre d’influence notable sur I’uniformit.6 de fluidisation.

50 .-

EXPLOITATION

DES RESULTATS

EXPERIMENTAUX

Fig. 4. Influence

de HJdp

sur IUV

et IUP.

Le d&eloppement de corklations, i partir des Gsultats qualitatifs obtenus sur l’influence de six groupes adimensionels, est encore inabordable. Des investigations supplementaires

66

sont en effet necessaires pour faire apparaitre l’influence de variabIes, telles qu’en particulier pr/pS, dzTpf/p2, dont l’action devrait dtre trouv&e tressensible. Les r&ultats pr&enMs permettent toutefois d’aboutir a des con&&&ions utiles pour le calcul previsionnel des conditions d’utihsation du distributeur a billes dans un vaste domaine de conditions operatoires. La premiere constatation conceme le rapport entre Ie diametre des bihes du distributeur et le diametre moyen des particules fiuidiscSes. L’application de la relation suivanter

2+<3 P assure d’obtenir la meilleure uniformite de fluidisation possible et d’eviter les fuites de particules 5 travers le distributeur et le colmatage de celui-ci. La deuxieme regle pratique conceme la vitesse du gaz. Pour des valeurs peu superieures 5 la vitesse minimale de formation des bulles, u mb, dans la couche fluidisee, la fluidisation s’av&-e g&-&ralement d’uniformiM mediocre: des passages preferentiels apparaissent, soit contre Ies parois, soit d’un seul cot& de la coIonne_ II est done necessaire d’imposer une vitesse U du gaz telle que: u u mb

> 1,5

Le phQnom&e d&r-it est commun a tous les distributeurs usuels. Notons cependant que si dans le cas des distributeurs microporeux Ies passages preferentiels de gaz circulent aleatoirement par d&placement incessant des points de formation des bulles, la situation est differente dans le cas du distributeur h billes. Au-dessus de ce dispositif, on observe en effet que les passages pr&ferentiels demeurent stables_ L’utilisation de colonnes bidimensionnelies permet en outre de constater que les bulles se forment en des points fixes de la surface de la couche de billes lourdes et demeurent permanents. Cette difference suggere que le m& car&me de fonctionnement du distributeur a billes est probablement diiferent de celui des autres distributeurs. La troisieme rGgle est relative 5 la chute de pression B travers le distributeur- La chute de pression ne constitue pas un parametre 616 mentaire de definition du systime distributeur-couche fluidisSe_ En raison toutefois de

l’importance accord&e par la plupart des chercheurs B cette grandeur et du fait que ses variations i&&-rent I’influence de par&n&res tels que notamment H,ld,, Hs/dp, U2pf/ydpr nous I’avons mesuree syst&matiquement. Le depouillement des tres nombreuses experiences, qui ont permis drexplorer le domaine d’btude dont les limites sont precisees dans le Tableau 3, met en &idence une Ggle necessaire pour l’obtention de couches fluidisees d’excellent indice d’uniformitC_ Cette Sgle est relative au rapport entre la chute de pression AP, ii travers le distributeur et la chute de pression AP, i travers la couche fluidisee. La valeur d’un tel rapport doit depasser un seuil, indiqu6 ci-dessous, qui depend tres faiblement de la vitesse du gaz et sensiblement de la hauteur de la couche fluidiske:

= 15 - 20%

pour I-r, < 0,09 m,

10 - 15%

pour 0,09

< Hs < 0,30

m,

5 - 10%

pour 0,30

< H, < 0,42

m.

Il convient done de noter que, dans le cas de couches fluidiskes de faible hauteur, ces restrictions sont considCrablement moins contraignantes que les regles de fonctionnement des distributeurs usuels. Par consequent, le distributeur a billes permet, dans ces conditions, un gain important en Bnergie de composition Aux trois r&gles de fonctionnement &on&es, quelques contraintes suppGmentaires doivent Btre ajout&es. Des vitesses importantes du gas peuvent, en effet, entrafher Ia fluidisation des billes du distributeur. On observe en outre que se manifeste un autre ph&om&re, g&&alement 1 des vitesses inf&ieures 2 la vitesse minimale de fluidisation du distributeur: il s’agit d’une d6formation de la surface du distributeur, d&Srioration qui se traduit par l’apparition de passages pr&f&entiels s’intensifiant au tours du temps. Pour &iter qu’un tel phenomene ne se produise, I’exp&ience montre que dans les conditions operatoires suivantes :

ps > 2000

kg/m”

H, > 0,03

m,

le distributeur Qtant con&it& de billes d’acier de taille telle que db = 2,5d,, le d&m&e des particules b fluidiser doit &cessairement Gore superieur 2 500 ym.

67

Notons que les regles de fonctionnement que nous indiquons ont 6t.6 mises i Epreuve avec succ& pour concevoir des distributeurs 1 billes utili&s pour diverses applications de la fluidisation telles que reaction gaz-solide pour la d&ulfuration d’effluents gazeux de 250 - 360 “C [20] et reaction catalytique pour l’oxydation du benzene en anhydride maleique de 410 - 420 “C [21]. Le distributeur a billes a, enfin, fait l’objet d’une &tude, au moyen des rayons X, caract& risant le bullage au-dessus de ce dispositif et le comparant, dans ce domaine, aux distributeurs microporeux [ 22]-

UTILISATION POUR

DU

DISTRIBUTEUR

LA CONSTRUCTION

TIETAGEES

AVEC

A

BILLES

DE COLONNES

CIRCULATION

MUL-

DE SOLIDE

Le bilan des proprietes du distributeur a billes et de ses avantages vis-&is des dispositifs usuels met en evidence que son utilisation pour la construction de colonnes multi&tag&es peut s’averer fructueux. En effet, il induit une fluidisation tres uniforme avec des chutes de pression de t&s faible valeur dans le cas de couches fluidisees de faible hauteur. Cet avantage permet de reduire les frais de compression du gaz, mais Ggalement de diminuer considerablement la hauteur des colonnes multi&&es 5 deversoirs. Dans ce type de colonne, en effet, la distance entre plateaux est reliee a la hauteur de la retention de solide dans les goulottes de descente du solide, elle-mEme reliCe 5 la chute de pression B travers chaque Qtage. 11est done clair que la distance entre plateaux, soit done la hauteur d.~ la colonne, est fonction croissante de la chute de pression a travers les distributeurs. Nous avons voulu vkrifier concrgtement, dans un cas particulier, l’int&Gt du distributeur B billes. Pour cela, nous avons conqu, construit et fait fonctionner une colonne de 1 m de diam&e comportant trois plateaux & d6versob-s distants les uns des autres de 0,30 m. La hauteur totale de la colonne est de 0,90 m (Fig. 6). Nous avons fluidis& du sable de diametre moyen 565 pm ainsi que des billes de verre de mdme diam&tre avec de l’air i tempkature ambiante. La p!age de conditions de fonctionnement que nous avons explor6e correspond i des vi-

Fig. 6. Colonne tallation.

multZtag&.

Sch6ma g&n&al de I’ins-

tesses de gaz comprises entre 1 et 5 fois la vitesse minimale de fluidisation des particules et a un debit de solide de 110 kg/h. La qualite de la distribution du gaz a et& examinee par ankmometrie a fil chaud. Cette analyse a tout d’abord permis de verifier que la vitesse du gaz dans les cheminees de liaison entre etages est sensiblement la rngme qu’en tous les autres points du plateau. Un ensemble de 60 mesures, en des points rbguli&ement Gpartis sur toute la surface du plateau superieur, a ensuite permis d%valuer la qualiti de la distribution du gaz et de comparer cette information avec celle fournie par observation visuelle
buck

flcndrsk

b,llcsde v-e

dp = 565 -a-6, q_= 50 OS=110

10-3 m kg/h

db = 1~25 H~=ZO

10-6,

lo-6m

D=lm

5

10

1s

i?Q++

Fig. 7. Influence de c2&lyd, SLU Ie coefficient de dispersion d’ de Ia vitesse du gaz au plateau supkieur de la coIonne multi&agGe_

En conclusion, nous rappellerons que le distributeur B billes est un dispositif simple, facile i r&.liser, qui permet d’obtenir des couches fluidis~ de structure r&uli&e tout en n’imposant que de faibles chutes de pression au gaz. Une analyse exp&imentale, mettant en oeuvre trois techniques comp1Cmentaires et portant sur une large gamme de conditions opCratoires, a permis d%tablir une liste simple de crit&es i respecter pour concevoir des distributeurs fonctionnant convenablement. Le distributeur 5 billes, sous sa forme actuelle, presente quelques inconv&rients tels que le risque de mise en fluidisation ou bien des ph&rom&res de d&formation. Une consolidation de la couche fixe, sans modifications de sa structure, devrait permettre d’eliminer ces quelques incon&nients. On peut, par exemple, songer a des techniques de frittage des billes. Enfin nous rappellerons que le champ d’applications privil&iB du distributeur 5 billes, se situe dans le domaine des couches de faible hauteur et tout particuli&ement des couches i?iplusieurs Btages.

LISTE

d

d'

indice d’uniformit.6 visuel d&bit de solide dans la colonne multi&&e (kg/h) vitesse du gaz (m/s) vitesse moyenne du gaz 5 la surface du plateau supCrieur de la colonne multi&ig~e

IUV

CONCLUSIONS

DES SYMBOLES

coefficient de dispersion des valeurs de la rCsistance de la sonde photosensible coefficient de dispersion de la vitesse i la surface du plateau sup&emde la colonne multii%g~e

v

59 diametre moyen des billes du distributeur (m) diamgtre moyen des particules fluidiskes (m) diamgtre de la colonne (m) acc&ration de la pesanteur (m/s2) hauteur de billes constituant le distributeur (m) hauteur de la couche fluidis&e (m) hauteur de la couche fIuidis& a la vitesse minimale de fluidisation (m) indice d’uniformit4 photographique IUP=l-d

QS u 0

vi’;esse du gas en un point i de la surface du plateau sup&ieur de la colonne multi6tagee (m/s) vitesse minimale de “bullage” (m/s) vitesse minimale de fluidisation

umb u mf

Y APD

APD

Ape

min

(m/s) poids specifique des particules fluidis&s = g(psPf) (kg/s2 m2) chute de pression subie par le gax 5 la traver&e du distributeur (cm d’eau) AP, minimum pour une fluidisation rmiforme (cm d’eau) perte par friction provoqu&e par 1’Clargissement de la section droite avant l’entr6e clans la colonne au niveau de la borle 5 vent (cm d’eau) chute de pression subie par le gaz i la travers6e de la couche fluidis& (cm d’eau) viscosit.6 du gas (kg/m s) masse volumique du gas (kg/m3) masse volumique du solide fluidis (kg/m3 ) facteur de forme tributeur facteur de forme dis&es

des billes du disdes particules

flui-

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