La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 2 Écoulements externes.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 2 Écoulements externes."— Transcription de la présentation:

1 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 2 Écoulements externes

2 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Références Unit Operations of Chemical Engineering par W.L. McCabe, J.C. Smith et P. Harriott (7 ième édition) Chapitre 7 Ces acétates ont été créées suivant une adaptation des notes de cours des années précédentes © R.Toupin, G.Soucy, H.Cabana

3 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Mise en situation Jusquà maintenant : – Comportement du fluide Toutefois: – Intérêt pour solide immergé Possibilités: – Fluide immobile – solide mobile – Solide immobile – fluide mobile – À la fois le solide et le fluide - mobiles

4 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Effet sur la compréhension Inutile de savoir QUI bouge Important de savoir la différence de vélocité

5 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coefficient de trainée Force exercée par le fluide dans la direction de lécoulement: – Trainée Quand la parois est parallèle à lécoulement: – La seule force de trainée: τ w (contraintes des cisaillement à la parois)

6 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Plaque mince immergée La seule force de trainée: τ w (contraintes des cisaillement à la parois)

7 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Autrement Plus souvent: – Object placé en angle p/r à lécoulement – On aura donc plusieurs contributions à la traînée – Provenant du τ w à différents angles p/r à la parois Une autre contribution à la traînée: – Pression du fluide – Dans la direction de lécoulement Trainée totale: – Contribution de la pression et du cisaillement

8 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Trainée reliée à la pression La seule force de trainée: pression

9 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coefficient de trainée (Drag coefficient) Nous avons parlé de f: – Coefficient de friction de Fannings Pour les liquides immergés: – Coefficients de traînée (C D ) F D : Trainée totale A p : Surface projetée U o: Vélocité du fluide approchant ρ: densité du fluide On lassume habituellement constant

10 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) En images

11 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulement autour dobjets Il y a plusieurs opérations unitaires qui impliquent un écoulement externe tels que: Lit fixes (bioréacteurs, résines échangeuses, etc.) Lits fluidisés Décantation / sédimentation Échangeur de chaleur Membranes Etc...

12 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Géométrie des particules La géométrie des particules est importante Pour les particules autres que sphériques: – Une dimension caractéristique – Les autres dimension sont proportionnelles Par exemple un cylindre: important cest d Longueur est exprimé en ration L/D

13 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Cyclindres D L/D D A p = LD p A p = π D p / 4

14 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) C D vs. nRe C D = φ(Re p )

15 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Graphique C D en f(x) de Re p Courbes valables seulement quand lorientation est maintenue

16 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Comportement des solides Lorsquun solide tombe par gravité: – Tourne de différentes façons – Modifie le coefficient de trainée – Surtout pour: Disques et cylindres – Pour les sphères Tombe en spirale

17 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Loi de Stoke Pour de faibles nombre de Reynolds – On parle de sous lunité Loi de Stoke sapplique Le mouvement de la sphère: – Affecte le fluide même a bonne distance

18 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pour des nRe p > 1 Lécoulement derrière la sphère: – Devient différent – Règle de Stoke ne sapplique plus Pour des nRe p > 100 Les remous recouvrent plus de ½ de la sphère Provoque une tombée de pression importante Perte en raison de lE affectée aux tourbillons

19 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pour nRe p Les tourbillons se désengagent du sillage On forme des rues de Vortex

20 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) nRe p élevés Coefficient de trainée est presque constant: – 0.40 à 0.50 Pour: – Re p entre 10 3 et 10 5 Encore laminaire

21 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Re p Le point de séparation se déplace: – Il se rend à larrière de la sphère – Langle de séparation passe de o – C D passe de 0.45 – 0.10

22 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coefficient de traînée Stokes Intermédiaire Newton Trans-critique Re p = D p u o ρ / μ Pour des objets sphériques

23 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Trainée de forme et aérodyanisme La trainée due à la forme peut être minimisée – On force la séparation vers larrière de lobjet Aérodynamisme: – Permet ceci: Laugmentation graduelle de pression Dans la couche limite Évite la séparation

24 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Point de stagnation A Le fluide est séparé en deux – Une partie en bas lautre en haut Au centre se trouve le point non divisé – Point de stagnation

25 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vélocité convertie en pression Au point de stagnation: – Énergie cinétique – Convertie en énergie de pression – On fait abstraction de la friction P s : pression de stagnation P 0 : pression du fluide inaltéré U 0 :Vélocité du fluide inaltéré ρ = densité du fluide

26 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Écoulement – lit de solide Situations ou ceci sapplique: – Filtration – Écoulement 2 phases contre-courant Dans les filtrations: – Lit de solide: Petites particules enlevées par tamis ou papier filtre Autre exemple: – Lit fluidisé

27 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Lit de particules La résistance à lécoulement: – Lit de particules – Sommation de trainée de toutes les particules Dépend aussi: – nRe – D p G 0 /μ – Écoulement laminaire, turbulent… – Trainée de forme, séparation et sillage

28 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tombée de pression Calculer la tombée de pression dans un lit: – Estimer la trainée totale de toutes les particules – Dans les canaux tortueux formés La canaux sont: – Irréguliers – Ont des diamètres variables – Sont interconnectés

29 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Calculer les canaux On estime: – Le lit a plusieurs canaux – Ces canaux sont équivalents La surface totale: – Surface par particule – Multipliée par le nombre de particules Mais plus facile: – Destimer en fonction du volume

30 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fraction volumique des particules Sphère Ratio Surface-Volume

31 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Autres particules Peu importe la particule: – On inclut un paramètre de sphéricité: Φ s Ratio surface/volume: – Sphère de diamètre D p – Divisé par le ratio surface-volume pour un particule de diamètre nominal D p

32 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Équations reliées à Φ s Valeurs de sphéricité, voir Tableau 7.1 p. 164

33 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) ε Représente la porosité des cavités Pores généralement trop petits: – Pour permettre un écoulement à travers Incidemment: – ε est labsence de matière à lextérieur – Et non le total des porosités

34 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Diamètre équivalent Dans un lit de particules: – Il est pensable de calculer le D éq Pour le calculer on considère: – n canaux parallèles – L est la longueur des canaux On le considère: – Équivalent au ratio surface-volume – Multiplié par le volume de la particule

35 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) D éq Le volume vide est le même que le volume total de n canaux En combinant les deux équations

36 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vélocité moyenne La vélocité est maintenant exprimée en termes que nous pouvons mesurer Il est possible dajuster pour: Éqn. de Hagen-Poiseuille

37 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Insertion dans Hagen-Poiseuille λ est inséré comme facteur de correction Pour combler pour: Les canaux ne sont pas linéaires Non plus que parallèles

38 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Simplifications Si on simplifie: Et comme 72λ = 150 (empiriquement) Équation de Kozeny-Carman

39 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pour un écoulement turbulent En simplifiant…

40 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pour haut Re p Pour Re p > 1000 Équation de Burke-Plummer

41 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Équation de Ergun Pratique car: – Couvre tout les rendements découlement – Peut être obtenu en assumant: Pertes visqueuses et perte dénergie cinétique sont sommatives

42 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Équation de Ergun Fonctionne pour: – Sphères – Cylindres – Solides broyés Si le lit est soumis à des vibrations: – Fraction de vide inférieure de quelques %

43 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pour anneaux de Rashig et Berl Léquation de Ergun: – En bas de ce qui est trouvé expérimentalement Difficile à estimer et donc: – Tableau 18.1 ou ref. du manufacturier

44 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Mélange de particules Deux équations envisageables: Où N i représente le nombre de particule de chaque taille Où x i représente la fraction de masse de particule de chaque taille

45 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Particules dans un fluide Mouvement dune particule dans un fluide: – Dépend dune force externe – Qui agit sur la particule Hypothèse: – Différence de densité – Champ magnétique ou électrique Ici: – Gravité et centrifuge

46 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Forces agissant sur une particule Les forces externes: – Gravitationnelle ou centrifuge Poussée dArchimède – Agit parallèle aux forces externes – Dans le sens inverse Force de trainée – Apparaissant dès quil y a mouvement: Entre lobjet et le fluide

47 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Particule dans un fluide 1D FeFe FbFb FDFD Fluide Particule Masse Accélération

48 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) F e, F b et F D F e : Force externe m: masse de lobjet a e : Accélération de la particule F b : Poussée dArchimède m: masse de lobjet a e : Accélération de la particule ρ: Densité du fluide ρ P : Densité de particule F D : Force de trainée C D : Coefficient de trainée u 0 2 : Vélocité u ρ: Densité A p : Surface projetée de la particule

49 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) En combinant / simplifiant

50 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Si la F e est g On peut donc appliquer cette équation: – Si la particule est en chute libre verticalement – Dans un fluide

51 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Champ de centrifugation Dans le cas précédent: – Accélération donnée par g Pour un champ de centrifugation: – a e = rω 2 (ou r est le rayon du trajet et ω est la vélocité angulaire (en rad/s). – Ainsi:

52 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vélocité terminale Laccélération aura tendance à diminuer En fonction du temps Approchera une valeur nulle Particule atteindra une vélocité constante Aussi appelée vélocité terminale (u t ) Trouvée quand g est impliquée: – Lorsque du/dt = 0

53 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vélocité terminale Sous leffet de la gravité (g)

54 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vélocité terminale Sous leffet centrifuge: – Vélocité dépend du rayon – Laccélération nest pas constante: Si la particule est en mouvement Dans ce cas on va négliger leffet du/dt Nous permettra daller chercher u t

55 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vélocité terminale Ainsi:

56 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Estimer C D sans calculs La plupart des calculs précédents: – Requiert la détermination de C D – Peut être reproduit par une courbe Courbes à usages limités: – La particule doit être solide – La particule doit être éloignée des autres – La particule doit être éloignée des parois – Elle doit être à u t

57 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coefficient de trainée

58 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Estimer C D sans calculs En réalité: – Particule tombant dans un fluide immobile – Prend + de temps à atteindre u t que prévu – Si on emploie les équation de C D à léquilibre Aussi: – Même principe si particule dans un écoulement rapide – Les coefficients de trainée sont inférieur à ce qui est escompté

59 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Ainsi… Pour les processus impliquant: – Petites particules – Gouttelettes Le temps nécessaire pour atteindre u t – Petit – On le négligera

60 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Stabilisation libre Quand la particule est à distance appréciable: – Des autres particules – De la parois du conduit Sa chute nen sera pas altérée On appelle ceci: – Stabilisation libre Si ce nest pas le cas: – Stabilisation altérée

61 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Minuscules particules Si les particules sont très petites: – Apparition du mouvement brownien Mouvement aléatoire provenant de collisions: – Entre les particules – Avec les molécules du fluide Devient important : particule de 2-3 μm Encore pire: particule sous 0.1 μm Le mouvement aléatoire contre g Stabilisation ne se produit plus

62 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Mouvement particules sphériques

63 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) À faible nRe Coefficient de trainée: – Inversement proportionnel à Re p – Ceci apporte des versions modifiées: C D, F D et u t

64 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pour 1000< Re p < À ces valeurs C D : – Approximativement constant

65 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) En résumé Sphére dans un fluide newtonien

66 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Critères pour régime stable Pour identifier intervalle: – Dans lequel le mouvement de la particule se place – On substitue la vélocité dans le calcul de Re p – Pour que la loi de Stoke sapplique Re p < 1 – Facteur pour régime stable (K): Utile pour déterminer quels calculs prévalent

67 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Facteur K Si K représente moins de 2.6 Loi de Stoke sapplique Si K représente + de 68.9 mais moins que 2360 Loi de Newton sapplique

68 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Si K > 2360 Dans un cas où K > 2360

69 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Stabilisation altérée Ici le gradient de vélocité de chaque particule: – Altérée par la particule voisine Ainsi les corrélations de trainée: – Ne sappliquent plus De plus la particule en se stabilisant: – Déplace le fluide qui sécoule vers le haut – Rend la vélocité relative du fluide plus grande que la vélocité de stabilisation

70 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Suspension uniforme La vélocité de stabilisation (u s ) Peut être estimée de la vélocité terminale Équation empirique (Maude et Whitmore) Lexposant n: – 4.6 dans le domaine de la loi de Stoke – 2.5 dans le domaine de la loi de Newton

71 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Stabilisation et montée de bulles et gouttelettes Contrairement aux particules solides: – Gouttelettes dispersées liquide et gaz – Change de forme lorsquen mouvement Trainée de forme aplatit Tension de surface oppose laplatissement Sinon les gouttelettes et bulles < 0.5: – Se comportent come des sphères solides

72 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Gouttes Les gouttes allant de 1 à plusieurs mm Par exemple la pluie Son aplaties dans la direction de lécoulement Ainsi: – Tomberont plus lentement quune sphère qui posséderait le même volume De façon générale: – Augmentation du diamètre affecte la vélocité

73 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vélocité en f(x) diamètre

74 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pour liquides non-miscibles

75 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Réponse du système en fonction de la vitesse superficielle Le fluide ne circule pas à une vitesse suffisamment élevée pour créer une force de traînée supérieure à la force gravitationnelle: les particules restent en place. Cest un Lit Fixe. Vitesse superficielle peu élevée Le fluide circule à une vitesse suffisamment élevée pour créer, potentiellement avec la force de flottabilité, une force de traînée supérieure à la force gravitationnelle: le lit de particules prend de lexpansion. Cest un Lit Fluidisé. Vitesse superficielle élevée

76 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluidisation Quand un liquide ou un gaz: – Passé à faible vélocité dans un lit de particule – Les particules ne bougent pas – La tombée de pression: Équation de Ergun

77 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluidisation Si la vélocité du fluide est augmentée: – La tombée de pression augmentera – Tout comme le coefficient de trainée des particules Éventuellement – Les particules se mettront en mouvement – Se retrouveront en suspension dans le fluide

78 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluidisation Quand une particule est complètement en suspension: – Fluidisation – Lit fluidisé Les suspensions de particules: – Se comportent comme des fluides denses Si on le penche le liquide reste horizontal De larges objets pourront flotter à la surface

79 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Conditions pour fluidisation Soit le montage suivant: Tube vertical partiellement remplis dun matériel granulaire (ex. cata.) Tube ouvert en haut Plaque poreuse au bas pour supporter le cata. – Sert à laisser passer le fluide – Sert à retenir le catalyseur Le fluide (ici air) entre par le bas

80 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Si les particules sont fines Lécoulement entre les particules: – Laminaire La tombée de pression: – Proportionnelle à la vélocité superficielle

81 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Augmentation de la vélocité Laugmentation graduelle de la vélocité: – Tombée de pression augmente – Les particules ne bougent pas – La hauteur du lit reste la même À une certaine valeur de vélocité: – La tombée de pression comble pour g – Toute augmentation de vélocité: Provoque le mouvement des particules

82 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Graph représentatif Hauteur du lit fluidisé Tombée de pression Fluidisation Si on décroît la vélocité, la hauteur du lit sera + grande que originalement Si on décroît la vélocité, la tombée de pression sera + petite que originalement Vitesse de fluidisation minimale

83 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Vitesse de fluidisation minimale Pour trouver la vélocité de fluidisation minimale: – On fixe la tombée de pression à travers le lit – Égale à la masse du lit – Par unité de surface de section transversale Permettant ainsi: – La poussée dArchimède du fluide déplacé

84 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Aussi On change ε pour ε M On parlera de la porosité minimale de fluidisation Ou lespace vaquant au sein des particules

85 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) En combinant

86 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Petites particules Pour de petites particules: – On soccupe seulement de la partie écoulement laminaire de léquation de Ergun – Avec Re p < 1

87 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Avec Re p < 10 3

88 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Types de fluidisation Fluidisation de particules Fluidisation bouillonnante Fluidisation turbulente Lit fluidisés circulant

89 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluidisation de particules Exemple: – Fluidisation du sable dans leau – Le mouvement des particules devient plus vigoureux proportionnellement à une augmentation de vélocité – Expansion large mais uniforme du lit à haute vélocités

90 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluidisation bouillonnante A des vélocités supérieures à u 0M : – Le fluide passe au travers du solide en bulles – Ces bulles sont pour la plupart exemptes de solides – Les particules bougent aléatoirement – La fraction despace libre demeure toutefois comparable à la fluidisation minimale

91 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Le slugging Généralement observé avec colonnes de faible diamètre Le bulles peuvent croitre: – Assez pour remplir tout une section transversale On observe alors: – Des bulles qui occupent de grands volumes – Séparées par des couches de solides

92 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Types de fluidisation Quand la vélocité est très supérieure à u 0M : – On assiste à une transition: Entre les bouillons Et une phase dispersée On assiste a la formation dun lit dispersé – Avec des petites régions de: Hautes densités Basses densités

93 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Lit fluidisés circulant À haute vélocité: – Les particules sont entraînées avec le gaz – Mais on les récupère: Cyclone – On les retourne au bas Le volume de solide dans le gaz: – Habituellement faible

94 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Généralités Liquides: – Fluidisation particulaire Gaz: – Fluidisation bouillonnante Pas complètement vrai Dépend amplement des densités

95 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Expansion des lits fluidisés Que ce soit pour fluidisations: – Particulaires – Bouillonnantes Le lit prend de lexpansion: – En même temps que la vélocité augmente Pour ce qui est de la tombée de pression – Demeure constante La tombée de pression aura tendance à diminuer: – Proportionnellement à une augmentation de ε

96 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluidisation particulaire Nous employons léquation dErgun On la considère adéquate: – Pour lits légèrement en expansion

97 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteur totale Il est aussi possible de calculer L – La hauteur totale du lit fluidisé En fonction de la quantité despaces libre dans le lit particulaire vs. la porosité minimale pour la fluidisation

98 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Fluidisation bouillonnante Lexpansion du lit provient: – Espace occupé par les bulles (ou bouillons) Car: – Les particules denses prennent peu ou pas dexpansion – Il en ressort léquation suivante: Fraction du lit occupé par les bulles Vélocité moyenne des bulles

99 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Hauteur du lit étendu En combinant: On obtient:

100 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Propriétés physico-chimiques des particules Geldart propose de regrouper les solides en 4 catégories: – Poudres fines et cohésives, fluidisation difficile (cat.C); – Particules fines à fluidisation relativement facile (cat.A); – Particules à fluidisation très facile (cat.B); – Grosses particules dont la fluidisation nécessite une vitesse relativement importante (cat.D)

101 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Classe A: les poudres fusantes Fluidisation particulaire: forte expansion du lit avec la croissance de la vitesse de fluidisation et apparition du bullage quand la vitesse est nettement supérieure à la vitesse minimale de fluidisation; Désaération lente: lorsque la fluidisation est interrompue, ces poudres restent longtemps fluides; Tendance au fusage lors de la vidange dune trémie (écoulement de type fluide à travers lobturateur).

102 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Classe B: les poudres sableuses Fluidisation aggrégative avec une faible expansion du lit tant que la vitesse minimale de fluidisation, à laquelle apparaissent déjà les premières bulles de gaz, n est pas atteinte; Bulles exemptes de solides qui grossissent rapidement par coalescence; Désaération quasi-instantanée lorsque la fluidisation est interrompue.

103 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Classe C: les poudres fines cohésives Les forces de surface interparticulaires sont du même ordre de grandeur que les forces aérodynamiques. La conséquence est que ces poudres sont très difficiles à fluidiser et sont le siège de renardages (channeling) pour les lits de grand diamètre et de pistonnages pour les plus petits lits. La fluidisation est parfois possible avec un apport mécanique (vibration ou agitation).

104 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Classe D: les poudres granuleuses Les particules sont de grande taille, avec un diamètre supérieur au millimètre, ou alors de masse volumique élevée; Elles se caractérisent par une vitesse de fluidisation élevée (lits geysers) et une fluidisation turbulente avec « explosion » de bulles en surface du lit.

105 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Propriétés physico-chimiques des particules

106 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Exemples dapplication du lit fluidisé Séchage par lit fluidisé Lit fluidisé granulateur Bioréacteur à lit fluidisé

107 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage en lit fluidisé Le courant gazeux traverse de bas en haut une grille fixe sur laquelle se trouve le produit. La vitesse du gaz est telle que le milieu à sécher acquiert les propriétés hydrodynamiques dun fluide.

108 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage en lit fluidisé

109 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage par atomisation et en lit fluidisé Séchoir à lit fluidisé

110 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage par atomisation et en lit fluidisé (équipement intégré) Équipement intégrant: Séchage par atomisation Séchoir à lit fluidisé Filtre à manchons

111 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage en lit fluidisé Avantages: – Bonne cinétique d évaporation du liquide (libre et lié); – Attrition faible à modérée du solide; – Équipement compact, simple et facile à nettoyer; – Refroidissement possible en fin de séchage; – Élimination possible des fines (envolement); – Fonctionnement continu ou discontinu.

112 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D)

113 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage en lit fluidisé Inconvénients: – Le matériau doit être fluidisable, cest-à-dire pulvérulent et peu humide; – Lentrainement des fines nécessite un dispositif efficace de séparation solide-gaz; – La grille de fluidisation est un élément critique de lensemble: son encrassement peut nuire au fonctionnement adéquat; – Il y a un risque dexplosion de poussières lors du séchage sous air de certaines matières.

114 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Lit fluidisé granulateur Principe: – On effectue la pulvérisation dun liant sur (ou dans) un lit fluidisé de séchage. – Il permet de réaliser plusieurs des opérations suivantes: Mélange des poudres; Mouillage permettant une nucléation; Granulation par coalescence ou par enrobage; Séchage; Pelliculage éventuel, suivi dun autre séchage; Classification.

115 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Granulation

116 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Types de Particules Poudres: Particules primaires, existant individuellement ou adhérant faiblement lune à lautre. «Pellets »: Particules sphériques produites par un ou plusieurs procédés mécaniques. Granules: Grosses particules issues de lélargissement progressif des particules primaires jusqu au point où leur identité originale nest plus détectable. Agglomérats: Particules de taille moyenne issue de lagglomération de particules primaires. Lidentité des particules est encore visible.

117 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Lit fluidisé granulateur – Grande souplesse dalimentation (solution, suspension, gâteau, boue, solide fondu); – Grande souplesse de production (taille, forme et porosité des produits); – Bonnes performances de qualité et de coût; – Opération discontinue (batch) préférable. Utilisation fréquente dans lindustrie pharmaceutique pour la fabrication de lots de produits. Un appareil peut permettre le séchage à lair tiède (50-80°C.) et lemploi subséquent dun liant de nature différente de celle des particules.

118 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Lit fluidisé granulateur Inconvénients: – Sphéricité médiocre du produit obtenu; – Impossibilité de traiter les poudres cohésives et les mélanges sujets à ségrégation; – Conduite difficile (know-how requis); – Mauvais rendement thermique (chaleur perdue avec lair); – Une matière active présente en faible proportion doit être ajoutée via le liquide pour obtenir une répartition satisfaisante.

119 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Bioréacteur à lit fluidisé


Télécharger ppt "Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 2Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 2 Écoulements externes."

Présentations similaires


Annonces Google