Forces d'action interparticulaires à courte et moyenne distances dans un lit fluidisé : approche expérimentale et numérique couplées – IPAF

Les lits fluidisés gaz-solides sont largement utilisés dans les procédés industriels énergétiques. Dans ces procédés, les forces d’interactions interparticulaires à courte (de van der Walls) ou à moyenne distance (électrostatique) peuvent avoir une forte influence et réduire notablement l’efficacité du procédé.

Dans ces procédés, la génération de charges électrostatiques n’est pas souhaitable et nécessite d’être minimisée. Cependant en raison de la nature même de la fluidisation gaz-solide qui engendre d’importantes interactions particule-particule et particule-paroi du réacteur la production de charges est inévitable. Les perturbations globales du procédé associées à ce phénomène comprennent l’agglomération des particules, l’encrassement des parois du réacteur, la défluidisation et les décharges électriques. La génération de champs électriques à haute tension peut provoquer des interférences électriques, détériorer l’instrumentation du procédé, et même provoquer des incendies et des explosions. L’accumulation de charges peut avoir un impact important sur la dynamique du lit, le mélange de particules et l’élutriation des plus fines (cause majeure d'inefficacité).

Pour les particules cohésives chargées (particules très petites), les forces de van der Walls peuvent avoir un effet important combiné avec celui des charges électriques. Dans ce cas, les interactions à courte distance génèrent des forces d’attraction entre les particules et modifient la taille des bulles et donc le comportement macroscopique du lit fluidisé.

L’objectif de ce projet est double : développer une nouvelle technique expérimentale afin de caractériser le couplage entre l’hydrodynamique de la suspension gaz-solide et les forces d’interaction à courte et moyenne distance dans les réacteurs à lits fluidisés et développer des modèles CFD à partir d’une approche multi-échelles pour prendre en compte ces forces dans des simulations à l’échelle industrielle afin de concevoir, de maîtriser le fonctionnement et d’optimiser les performances des réacteurs à lit fluidisé.

Dans ce projet, des approches expérimentales et numériques multi-échelles sont couplées. Des modèles mathématiques pour représenter à l’échelle microscopique les forces interparticulaires seront transposés dans le formalisme Euler-Euler à l’échelle macroscopique en s'appuyant sur la théorie cinétique des milieux granulaires. Des simulations Euler-Euler seront menées et les résultats seront comparés aux mesures expérimentales réalisées sur la maquette du lit fluidisé soumis à des forces d’interparticulaires. Les mesures hydrodynamiques seront effectuées à partir d’une nouvelle technique qui à notre connaissance n’a jamais été appliquée aux lits fluidisés en Europe. L’Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) peut fournir des mesures non intrusives 3D de la structure de l’écoulement. Cette technique sera couplée à des mesures de charges électrostatiques des particules et des parois. Une fois validées à l’échelle du laboratoire, des simulations Euler-Euler à l’échelle industrielles seront mises en œuvre.

Ce projet implique le LGC et l’IMFT qui possèdent des approches et des compétences complémentaires sur les lits fluidisés. Il permettra au coordinateur de développer une réelle autonomie et sa propre activité de recherche.

L’originalité de ce projet réside en plusieurs points : 1- Des mesures expérimentales sur des particules de différentes charges à partir de tailles et de matériaux différents. 2- Des mesures locales non-intrusives de l’hydrodynamique d’une suspension gaz-particules par ECVT. 3-L’application d’un système ECVT à un lit fluidisé soumis à des forces électrostatiques et de van der Walls. 4- Des simulations 3D de lits fluidisés influencés par des forces interparticulaires. 5- Des approches théoriques, numériques et expérimentales couplées pour étudier l'effet des forces d’interaction à courte et moyenne distances dans un lit fluidisé au sein d’un même projet.