Thèse soutenue

Etude éxpérimentale et numérique des effets de charge éléctrostatique dans les lits fluidisés gaz-solides
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Auteur / Autrice : Youssef Nasro-Allah
Direction : Rodney O. FoxRenaud Ansart
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Dynamique des fluides
Date : Soutenance le 16/12/2019
Etablissement(s) : Toulouse, INPT
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
Jury : Président / Présidente : Olivier Simonin
Examinateurs / Examinatrices : Rodney O. Fox, Renaud Ansart, Poupak Mehrani, Hans Kuipers, Enrica Masi, Ali Özel, Jan Baeyens
Rapporteurs / Rapporteuses : Poupak Mehrani, Hans Kuipers

Mots clés

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Résumé

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Les lits fluidisés gaz-solides sont largement utilisés dans les procédés industriels pour l'énergie tels que la combustion, la polymérisation, les récepteurs solaires, la gazéification de la biomasse et le raffinage du pétrole. Dans ces procédés, les forces électrostatiques ont été généralement négligées. Cependant, le phénomène présente des problèmes majeurs tels que l'encrassement des murs, la défluidisation, les étincelles, les explosions de poussière et parfois des incendies. A l'échelle moléculaire, le contact entre deux particules génère un transfert d'électrons/ions, induisant une charge sur chaque particule. Par conséquent, le gaz environnant transporte un champ électrique, ce qui produit une force supplémentaire connue sous le nom de force de Lorentz. Le phénomène dépend des propriétés des matériaux et les conditions opératoires. Plusieurs travaux dans la littérature ont étudié l'effet de chaque paramètre. Cependant, il y a un manque d'étude combinant à la fois des mesures expérimentales et la modélisation théorique avec des simulations numériques. La présente étude s'inscrit donc dans ce contexte. Elle fait partie de la Chaire d'attractivité BIREM (BIological, REacting, Multiphase flows) attribuée au Professeur Rodney Fox, soutenue financièrement par l'Université de Toulouse, dans le cadre du programme de recherche IDEX. Le projet est hébergé par la Fédération de recherche FERMaT. Dans ce travail, des expériences ont été réalisées sur différentes distributions granulométriques, différents matériaux et différentes conditions opératoires. Le dispositif expérimental, conçu et réalisé lors de cette thèse, consiste en une colonne en plexiglas de 1 m de hauteur et 0,1 m de diamètre. La technique de mesure utilisée est une coupe de Faraday reliée à un électromètre. Les résultats montrent deux catégories de particules : les "dropped" particules qui tombent immédiatement après l'ouverture de la vanne et les "wall" particules qui collent à la paroi. Les résultats ne montrent aucun effet de l'humidité relative sur la vitesse minimale de fluidization (Umf). L'évolution de la charge nette du lit en fonction du temps de fluidisation a montré une tendance exponentielle qui atteint une valeur d'équilibre pour les deux catégories. Les "wall" ont été chargées de 250 à 450 fois plus que les "dropped". La charge diminue en augmentant l'humidité relative. Les petites particules ont présenté une charge positive alors que toutes les autres distributions étaient chargées négativement. La charge d'équilibre des "dropped" n'a pas été influencée par l'augmentation de la vitesse alors que le temps d'équilibre a été légèrement augmenté. La charge d'équilibre des "wall" a été significativement augmentée. D'autre part, le travail numérique a modélisé la force de Lorentz dans une approche eulérienne. Les simulations ont été réalisées avec NEPTUNE_CFD. Les murs étaient supposés mis à la terre. Le modèle a été validé sur plusieurs cas de test. Par la suite, un modèle de tribélectrification (génération de charge) a été développé dans une approche eulérienne en s'inspirant d'analogie avec des modèles dans la littérature. Les conditions aux limites ont été élaborées en utilisant des hypothèses moins restrictives. Une estimation des temps caractéristiques de génération et de diffusion des charges a été réalisée, montrant que l'échelle de temps est très élevée (plusieurs jours) et ne correspond pas aux résultats expérimentaux (15 à 20 min). Un coefficient correcteur a été proposé pour être en accord aux résultats expérimentaux. De plus, des simulations numériques sur un lit fluidisé ont été réalisées. Le régime permanent a été considéré atteint et la charge d'équilibre a été imposée sur les particules. Les simulations visaient à comparer le cas sans et avec charge. L'effet de la charge sur les propriétés d'écoulement a été mis en évidence. Ces résultats ont mis en évidence l'effet crucial de l'électrostatique sur la suspension fluidisée gaz-particules.