tp n°1. décantation et filtration i.1. introduction
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Ministère de l’Enseignement Supérieur Et la Recherche Scientifique Universitaire d’Ahmed Zabana de Rélizane Institut des Sciences et technologie Département de Génie des Procédés Option : Génie Chimique Module : Tp Milieu poreux disppersé
Master 2
1
TP N°1. Décantation et filtration
I.1. Introduction
La décantation est une opération de séparation mécanique, par différence de gravité de phases non-miscibles dont l'une au moins est liquide. On peut séparer des phases liquides, une phase solide en suspension dans une phase liquide...
Si on laisse reposer une suspension solide dans une phase liquide, on observe que les particules sous l'action de la pesanteur et de la poussée d'Archimède, tendent à tomber vers le fond ou à remonter à la surface selon leur densité et leur taille. Cette décantation peut cependant être relativement lente pour les très fines particules (sensibles à l'agitation thermique) et les liquides particulièrement visqueux.
La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux. L'utilisation d'un filtre permet de retenir les particules du mélange hétérogène qui sont plus grosses que les trous du filtre (porosité). Le liquide qui subitune filtration est nommé filtrat ou perméat, tandis que la fraction retenue par le filtre est nommé résidu, rétentat ou gâteau.
I.2. But
Connaitre le principe de la décantation et de la filtration Séparer les constituants d’un mélange hétérogène "eau boueuse"
I.3. Matériels et produits
Matériels Produits Becher 100ml – baguette de verre –filtre à thé – morceau de tissu (compresse) – papier filtre – entonnoir
Eau boueuse (eau + terre)
I.4. Manipulation
1. Préparer trois mélanges d’eau boueuse (même proportion entre l’eau et la terre) 2. Agiter chaque mélange hétérogène à l’aide une baguette de verre. 3. Laisser décanter (reposer) les mélangespendant une heure "les constituants les plus lourds
tombent au fond de bêcher et les constituants les plus légers flottent".
Ministère de l’Enseignement Supérieur Et la Recherche Scientifique Universitaire d’Ahmed Zabana de Rélizane Institut des Sciences et technologie Département de Génie des Procédés Option : Génie Chimique Module : Tp Milieu poreux disppersé
Master 2
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4. Faire trois essais de filtration selon les figures en dessous :
Essai 1. Avec Filtre à thé Essai 2. Avec Compresse Essai 3. Avec Papier filtre
I.5. Questions
1. Faire une comparaison entre les trois instruments (filtre à thé, compresse et papier filtre). 2. Expliquer l’aspect de mélange après 5 minutes et après 1 heure. 3. Est-ce que le filtrat est pur ou quasiment pur ? justifier. 4. Quel est l’essai qui donne l’eau la plus limpide ? 5. Qu’avez-vous fait et appris dans ce TP ?
David ROUZINEAU
Marion ALLIET
Jean-Stéphane CONDORET
Janvier 2014
Mise à Jour : février 2019
ATELIER INTER UNIVERSITAIRE DE GENIE DES PROCEDES
Séchage par
Fluidisation
TP Séchage par Fluidisation 1
Table des matières
I. Déroulement du TP ......................................................................................................................... 2
I.1. Avant de venir en séance : ...................................................................................................... 2
I.2. En séance : ............................................................................................................................... 2
II. Présentation du séchage par fluidisation ........................................................................................ 3
III. Description de l’installation ......................................................................................................... 4
III.1. Schéma de principe du banc de fluidisation ........................................................................... 4
III.2. Descriptif du procédé et appareillage ..................................................................................... 5
III.3. Procédure de démarrage et arrêt ........................................................................................... 6
III. 3. a. Procédure de démarrage : ............................................................................................... 6
III. 3. b. Procédure d’arrêt : .......................................................................................................... 6
III.4. Matériau à sécher .................................................................................................................... 6
III. 4. a. Humidifier le riz ............................................................................................................... 6
IV. Rappel théorique ......................................................................................................................... 7
IV.1. Séchage des solides ................................................................................................................. 7
IV. 1. a. Caractérisation du gaz de séchage .............................................................................. 7
IV. 1. b. Caractérisation du solide humide ................................................................................ 8
IV. 1. c. Comportement du solide humide dans de l’air ............................................................... 8
IV. 1. d. Séchage par convection ............................................................................................... 9
IV. 1. e. Bilans ........................................................................................................................... 9
IV.2. Fluidisation ............................................................................................................................ 10
IV. 2. a. Phénomène de fluidisation ....................................................................................... 10
IV. 2. b. Perte de charge à travers un lit fluidisé ..................................................................... 11
IV. 2. c. Vitesse minimale de fluidisation ................................................................................... 12
IV. 2. d. Caractéristiques optimales des poudres pour la fluidisation .................................... 13
Annexe 1 : données pour les bilans ....................................................................................................... 14
Bilan ................................................................................................................................................... 14
Calcul de l’humidité absolue à partir de l’humidité relative ............................................................. 14
ANNEXE 2 : Considérations énergétiques ............................................................................................. 15
Consommation énergétique massique CEM ..................................................................................... 15
Rapport de consommation énergétique RCE .................................................................................... 15
2 TP Séchage par Fluidisation
I. Déroulement du TP
I.1. Avant de venir en séance :
• Lire ce protocole et revoir vos cours de Séchage par fluidisation.
• Dans un objectif de déterminer un fonctionnement acceptable d’un procédé de séchage par
fluidisation en prenant en compte à la fois la performance technique et la dépense
énergétique, identifier les objectifs intermédiaires et les points que vous souhaitez étudier
pour y répondre. Définir les expériences à réaliser en séance pour y parvenir. Vous pouvez
également préparer les tableaux des résultats à remplir et des graphiques à créer.
I.2. En séance :
• Présenter le TP, les objectifs intermédiaires de votre étude et les expériences que vous allez
réaliser à l’enseignant.
• Réaliser les expériences que vous avez prévues, et traiter les données.
• Rédiger le rapport de votre étude (à rendre à l’enseignant au plus tard deux jours après la
séance). Votre rapport devrez comprendre les sections suivantes :
o Introduction
– Décrire généralement à quoi servent les procédés de séchage par fluidisation
d'un point de vue industrielle.
– Décrire les paramètres opératoires qui peuvent influencer la performance du
procédé.
– Décrire les objectifs de cette étude et la démarche qui sera menée pour
atteindre ces objectifs.
o Description du pilote expérimental
– Décrire succinctement le pilote et son fonctionnement à l’aide d’un schéma
simple. Ce schéma devra comporter toutes les indications nécessaires pour
comprendre les expériences ainsi que l’interprétation des résultats que vous
allez réaliser
o Résultats et discussion
Pour chaque expérience réalisée :
– Décrire comment les expériences ont été effectuées en précisant bien les
conditions expérimentales, ainsi que les différentes mesures qui ont été
réalisées. Pensez à les justifier par rapport à vos objectifs.
– Présenter les résultats par des tableaux et/ou graphiques.
– Décrire succinctement vos résultats et donner une analyse physique et critique
qui permet d’expliquer vos résultats. Préciser en quoi cela répond ou non aux
objectifs intermédiaires fixés et ce que cela implique éventuellement pour les
expériences suivantes.
o Conclusion
– Reprendre les conclusions majeures de vos résultats et faire une synthèse de
manière à ‘répondre’ à vos objectifs présentés dans l’introduction. Vous
pouvez aussi proposer des recommandations de fonctionnement.
TP Séchage par Fluidisation 3
II. Présentation du séchage par fluidisation Le séchage est un procédé de conservation très ancien. Il est considéré comme étant le plus facile, le
plus efficace, le plus viable et, encore aujourd’hui, le plus utilisé. C’est le procédé le plus sain après la
lacto-fermentation. Au niveau industriel, beaucoup de procédé comprennent un module "séchoir", qui
conditionne souvent la qualité du produit fini à travers un choix judicieux du mode et de la technique
du séchage. Cependant, ce procédé reste énergiquement coûteux. Par ailleurs, l’énergie solaire offre,
dans les pays à fort ensoleillement, une opportunité d’économiser leurs coûts énergétiques.
L’utilisation du séchage dans les industries agroalimentaires a pour buts de :
− Stabiliser les produits agricoles (riz, luzerne, ...) et les coproduits industriels (farines de viande
et de poisson, pulpes de sucreries, etc.)
− Amortir le caractère saisonnier de certaines activités agricoles ;
− Accroître la durée de conservation des produits (viandes, poissons, fruits, épices, thé, ...) ;
− Favoriser la transformation des produits par des réactions biochimiques ou biologiques
(produits de salaison, touraillage de malt, ...) ;
− Produire des ingrédients ou des additifs pour une seconde transformation (légumes pour les
potages, oignons pour la charcuterie, fruits pour la pâtisserie, épaississants, arômes, colorants);
− Réduire le poids et le volume ce qui facilite l’expédition.
En général, les produits séchés sont stockés à température positive (ambiante ou dans un système de
réfrigération). Néanmoins, un stockage spécifique est nécessaire pour les préserver de toute
réhydratation possible : silo, emballage étanche, gaz inerte, emballage sous vide…
Le séchage est une opération unitaire qui met en jeu un transfert de matière (le liquide quitte le
produit et passe à l’état de vapeur) et un transfert thermique (responsable du changement d’état du
liquide). Le séchage a pour but d’éliminer par vaporisation le liquide qui imprègne un solide. Il se
distingue de l’évaporation par les quantités de liquide traitées ; la teneur en liquide étant beaucoup
plus faible dans le cas du séchage que dans le cas de l’évaporation. Il fait suite à des opérations telles
que la sédimentation, la filtration ou l’essorage qui ont pour but de séparer le solide du liquide mais
qui ne permettent pas de supprimer l’humidité résiduelle. Du fait du coût énergétique de la
vaporisation, il est nécessaire de réduire au maximum la teneur en eau du solide et le séchage n’est
utilisé que lorsque les procédés mécaniques ne sont pas assez puissants pour obtenir le teneur
souhaitée. Le séchage permet de convertir des denrées périssables en produits stabilisés, par
abaissement de l’activité de l’eau. Il est souvent associé à des traitements (salage, sucrage, traitement
après séchage avec une huile alimentaire …) qui favorisent la diminution de l’activité de l’eau, limitent
les réactions biochimiques et améliore la conservation du produit.
La technique du séchage par lit fluidisé est la conjonction de deux idées: le séchage et la fluidisation.
− La fluidisation est un phénomène hydrodynamique diphasique. Il consiste à donner à un solide
divisé les propriétés d'un liquide par contact avec un courant fluide ascendant (liquide ou gaz)
qui par entrainement compense la vitesse de chute des particules. Ce courant, s'il est envoyé à
une vitesse suffisante, provoque un entrainement du solide, mais si cette vitesse n'est pas trop
forte, les grains ont une agitation désordonnée comparable à l'agitation moléculaire. C'est ce
qu'on appelle un lit fluidisé. Le but de la fluidisation est notamment d'augmenter la surface de
contact gaz-solide pour faciliter le séchage.
− Le séchage consiste à éliminer un solvant emprisonné dans un solide en l'évaporant dans la
phase gazeuse qui le baigne. Pour cela, il faut apporter de l'énergie pour compenser à la fois
l'énergie de liaison solide-liquide (due à des forces de Van Der Waals) et la chaleur latente de
vaporisation du solvant. Cet apport peut être fait par la phase gazeuse (on parle alors de séchage
par convection), ou par une source externe (chauffage par effet Joule, par radiation infra-rouge,
ou par courants de haute fréquence). Pour éviter la saturation en solvant de la phase gazeuse,
un balayage de l’atmosphère maintient la pression partielle en solvant au voisinage du solide,
inférieure à la pression de vapeur saturante.
4 TP Séchage par Fluidisation
III. Description de l’installation
III.1. Schéma de principe du banc de fluidisation
Le sécheur par fluidisation est le modèle MP302 de la société Deltalab et est constitué de 2 éléments
essentiels :
1. la chambre de fluidisation, chambre de forme cylindrique de diamètre 200 mm dans laquelle le
produit est placé dans un bol pour être ensuite fluidisé et séché
2. Le ventilateur : de l'air, chauffé par le préchauffeur, est envoyé dans la chambre afin de mettre le
produit placé dans le bol en suspension et de le sécher.
TP Séchage par Fluidisation 5
III.2. Descriptif du procédé et appareillage
Coffret
électrique
Ventilateur
Réchauffeur
Fenêtre de
visualisation
Bol
Sonde de
température et
d’humidité
entrée
Sonde de
température
et d’humidité
sortie
Manomètre
DP
Prise
d’échantillon
Voyant de mise sous
tension
Humidité relative en
entrée (%)
Humidité relative en
sortie (%)
Vitesse d’air (m/s)
Marche / Arrêt
Arrêt général
Mise en service
général
Marche / Arrêt du
chauffage
Variateur de vitesse du
ventilateur
Température
réchauffeur (°C)
Température en
entrée (°C)
Température en
sortie (°C)
Arrêt d’urgence
Sectionneur général
Convertisseur
sonde
anémométrique
Vidange
Sonde
anémométrique
Température produit
(°C)
Voyant chauffe
6 TP Séchage par Fluidisation
III.3. Procédure de démarrage et arrêt
III. 3. a. Procédure de démarrage : 1) Mettre le coffret électrique sous tension.
2) Régler le régulateur de température à l’entrée du lit fluidisée à la température requise.
3) Démarrer le ventilateur et régler la vitesse de manière à ce que le produit à sécher soit entré
en fluidisation (voir étude de la perte de charge).
4) Allumer la chauffe.
En respectant les conditions de sécurité suivantes:
- température du produit inférieure à 60°C (hors de la gamme du capteur de vitesse)
- vitesse de l’air supérieur à 0,3 m/s (sans quoi la chauffe sera automatiquement coupée)
5) Attendre que la température de consigne soit atteinte.
III. 3. b. Procédure d’arrêt : 1) Eteindre la chauffe et diminuer le débit d’air au minimum.
2) Couper la ventilation quand la valeur de la température de l’entrée du lit a diminué de 10°C.
3) Couper l’alimentation du coffret électrique puis récupérer le produit.
III.4. Matériau à sécher
Le matériau à sécher est du riz soufflé.
III. 4. a. Humidifier le riz Le but est d’humidifier si nécessaire un produit à partir d’un pulvérisateur à eau (voir photo ci-dessous).
Un pulvérisateur contenant de l'eau permet de pulvériser cette eau sur une couche de solide posée
dans un large bac de façon à ce que l’épaisseur de solide soit faible pour que l'eau soit répartie
équitablement. Nous avons mesuré que 50 coups de pulvérisateur correspondaient à 30g d'eau. On
peut ainsi évaluer le nombre de coups de pulvérisateur nécessaires pour amener une masse de solide
à 10% en eau
TP Séchage par Fluidisation 7
IV. Rappel théorique
IV.1. Séchage des solides
Le séchage met en jeu un transfert de matière (le liquide imprégnant le solide passe dans une phase
gaz autour du solide) et un transfert thermique (changement de phase : liquide en vapeur).
On considérera dans la suite que le solide est imprégné d’eau et qu’il est séché par de l’air. Ce modèle
est transposable à presque toutes les autres situations.
IV. 1. a. Caractérisation du gaz de séchage Le gaz (l’air) contient toujours une certaine humidité.
On définit l’humidité absolue Y d’un gaz comme la masse d’eau en kg associée à 1 kg de gaz sec.
L’humidité relative i s’exprime comme le rapport de la pression partielle de vapeur d’eau PH2O dans le
gaz sur la pression de vapeur saturante de la vapeur P°H2O à la même température. i est aussi appelé
degré hygrométrique.
Lorsque l’air (contenant une certaine humidité) est refroidi sous pression constante, la pression
partielle en vapeur d’eau est constante mais la tension de vapeur saturante diminue. Quand celle-ci
devient égale à la pression partielle, les premières gouttes de liquide apparaissent pour une
température nommée point de rosée. L’humidité relative est alors égale à 1.
Si l’on poursuit le refroidissement, i reste constante mais Y diminue.
On nomme température sèche d’un gaz la température indiquée par une sonde de température nue
placée dans le courant d’air. La température humide ou de bulbe humide est donnée par une sonde
enrobée d’une mèche humidifiée en permanence par de l’eau pure, et placée dans le courant gazeux.
L’enthalpie de l’air humide définit le contenu énergétique de cet air. L’enthalpie, H, de 1 kg d’air sec
associé à Y kg de vapeur d’eau à la température T est la quantité de chaleur à fournir à ce mélange
sous une pression constante pour l’amener de la température de référence 0°C à la température T(°C).
Les états de référence sont le gaz sec à 0°C et l’eau liquide à 0°C.
Enthalpie de l’air humide : ( )TCpHYTCpH evapa ⋅+∆⋅+⋅=
Avec Cpa et Cpe chaleurs massiques respectives de l’air et de l’eau à l’état gazeux et ∆Hvap, enthalpie
de vaporisation de l’eau à 0°C.
( )TYTH ⋅+⋅+⋅= 92,1249401,1 avec H en kJ.kgair-1.
Un diagramme permet de déterminer diverses caractéristiques d’un gaz humide si l’on connaît certains
paramètres. Il s’agit du diagramme enthalpique de l’air humide ou diagramme de Mollier.
Il permet la représentation de 5 grandeurs décrivant l’air humide sachant que 2 suffisent à le définir.
Le diagramme est utilisable pour des températures sèches allant jusqu’à 300°C. Les grandeurs sont les
suivantes :
- Température sèche : les isothermes sont des droites légèrement croissantes en fonction de
l’humidité absolue avec graduations sur l’axe des ordonnées,
- Température humide,
- Humidité absolue Y : les lignes d’humidité absolue sont des verticales avec graduations sur
l’axe des abscisses,
- Humidité relative i : courbes croissantes en fonction de Y,
- Enthalpie H : les isenthalpes sont des droites parallèles croissantes.
Ces diagrammes sont utilisés pour les calculs relatifs aux humidités de l’air, pour les déterminations de
point de rosée et de température humide ainsi que pour les calculs énergétiques relatifs au séchage.
8 TP Séchage par Fluidisation
IV. 1. b. Caractérisation du solide humide L’humidité d’un solide X est définit comme la masse d’eau en kg associée à 1 kg de solide sec. Elle peut
être exprimée en %.
Un solide humide présente un film d’eau adhérent à sa surface externe par des forces superficielles.
Une couche limite à la périphérie du solide est constituée d’air saturé en eau.
En plus, de l’eau peut également être localisée au fond des pores : les forces la retenant sont alors
beaucoup plus fortes et ont trait à des phénomènes complexes de capillarité. Plus les pores sont fins,
plus ces forces sont grandes.
Un solide est dit hygroscopique lorsque l’eau qu’il contient est en équilibre avec un air dont la pression
partielle en eau est inférieure à la pression de vapeur saturante à cette température. L’humidité
relative est inférieure à 1. Ce comportement est surtout dû aux forces liées à la capillarité.
Un solide non hygroscopique possède un film d’eau superficiel et des pores suffisamment gros pour
permettre la diffusion assez rapide de l’eau des pores à la surface. La tension de vapeur de l’eau
l’imprégnant est maximale pour une température donnée.
Le tracé des isothermes d’adsorption permet de rendre compte de ce comportement : on trace, à T°C
donnée, la courbe d’équilibre de l’humidité relative de l’air au contact du solide en fonction de
l’humidité du solide i=f(X).
Tous les produits ont une certaine hygroscopicité : elle est très marquée pour des solides poreux, des
gels ou des produits déshydratés mais elle est très faible pour d’autres tels que l’amiante.
IV. 1. c. Comportement du solide humide dans de l’air Soit Xc, humidité critique ou humidité d’un solide en équilibre avec de l’air saturé (i=1), à la limite du
domaine hygroscopique.
Pour un solide d’humidité X < Xc placé dans un
courant d’air correspond une humidité relative de
l’air à l’équilibre, I :
- Si le courant d’air a une humidité relative
i1, le solide va sécher par désorption de
l’eau.
- Si le courant d’air a une humidité relative
i2, le solide va se mouiller par adsorption
de l’eau.
Dans le cas d’un solide hygroscopique, cette
dernière remarque a des conséquences pour le
stockage de ces composés : l’humidité de l’air peut
entraîner la formation d’agglomérats de solide dus à l’adsorption de l’eau contenu dans l’air ambiant.
Soit X* l’humidité du solide correspondant à
l’équilibre avec l’air d’humidité relative i. Le solide
d’humidité X placé dans ce courant d’air
d’humidité i1, va perdre de l’eau jusqu’à ce que
son humidité soit égale à X*. Même en
prolongeant le passage du courant gazeux, on ne
peut sécher plus le solide. L’intervalle X-X*
correspond à l’humidité libre, humidité
susceptible d’être enlevée au solide placé dans de
l’air d’humidité relative i1.
On distingue l’humidité liée (X < Xc) et l’humidité
non liée (X > Xc) : l’humidité liée correspond au domaine hygroscopique du solide.
TP Séchage par Fluidisation 9
IV. 1. d. Séchage par convection Il existe différents modes de séchage : par convection (solide en contact avec de l’air chaud), par
conduction (solide en contact avec une paroi chaude) ou par rayonnement (l’apport d’énergie se fait
par ondes électromagnétiques).
Le séchage par convection est le mode de séchage le plus fréquent dans l’industrie chimique. Le
produit à sécher est placé dans un courant d’air chaud le plus sec possible qui fournit la chaleur
nécessaire à l’évaporation du liquide et entraîne la vapeur formée. La température du gaz diminue
entre l’entrée et la sortie.
Au cours du séchage, on observe trois étapes :
- la mise en température du produit,
- un séchage à vitesse constante,
- un séchage à vitesse décroissante.
Durant la phase à vitesse constante :
Le séchage est comparable à l’évaporation d’eau sans solide présent : il y a beaucoup d’eau à la surface
du solide ou la diffusion de l’eau de l’intérieur du solide vers la surface est rapide.
Le séchage est adiabatique : la chaleur latente de vaporisation de l’eau est entièrement fournie par le
refroidissement de l’air chaud. Le processus est à enthalpie constante : sur le diagramme de Mollier,
l’air chaud évolue selon une isenthalpe. Pendant cette période, la température du solide reste
constante et égale à la température humide de l’air.
Les facteurs augmentant la cinétique sont la diminution de Y, l’élévation de la température de séchage,
l’augmentation de la vitesse de l’air, l’augmentation de la surface spécifique du solide.
Durant la phase à vitesse décroissante :
La vitesse commence à décroître à partir d’une humidité Xc et finit par tendre vers une vitesse nulle.
La tension de vapeur du liquide est inférieure à celle existant pour un liquide seul présent. Il faut
éliminer l’eau existant à l’intérieur du solide : le trajet de la vapeur de l’intérieur vers la surface devient
de plus en plus long et les phénomènes de diffusion deviennent limitants. La vitesse s’annule lorsque
l’humidité atteint Xlim, valeur d’équilibre pour l’air de séchage. On assiste à un échauffement du
solide.
IV. 1. e. Bilans Soit un procédé continu par convection ou un produit d’humidité Xe est séché par un air d’humidité
Ye. Le réchauffeur sert à augmenter la température de l’air avant son entrée dans le sécheur. Le
préchauffage ne modifie pas l’humidité absolue de l’air.
Avec V : débit massique de gaz sec,
M : débit massique de solide sec
Y : humidité absolue de l’air (e en entrée, s en sortie)
X : humidité du solide (e en entrée, s en sortie)
H : enthalpie de l’air humide
Bilan matière sur l’eau :
10 TP Séchage par Fluidisation
YsVXsMYeVXeM ⋅+⋅=⋅+⋅
D’où le débit massique d’eau évaporée : ( ) ( )YeYsVXsXeMW −⋅=−⋅=
Pour éliminer 1 kg d’eau, il faut 1/(Ys-Ye) kg d’air sec. 1 kg d’air sec permet d’éliminer (Ys-Ye) kg d’eau.
IV.2. Fluidisation
IV. 2. a. Phénomène de fluidisation Quand un fluide ascendant traverse une couche de matériau pulvérulent, à partir d’un certain débit
d’air, le lit pulvérulent commence à se dilater permettant à chaque grain d’être en suspension dans le
courant de fluide : c’est l’état fluidisé. Il permet de mettre en contact intime un fluide (liquide ou gaz)
et un solide divisé.
Dans notre cas, nous étudierons la fluidisation solide – gaz.
Notons :
- Vmf, vitesse minimale de fluidisation,
- Vmb, vitesse minimale de bullage.
Considérons une couche de particules sphériques solides de même taille reposant sur une grille
poreuse horizontale, à l’intérieur d’une colonne. On va faire circuler un gaz dans la colonne, dans le
sens ascendant. On augmente au fur et à mesure le débit donc la vitesse de gaz afin d’observer les
étapes suivantes :
- 0 < V < Vmf : la couche de solide reste sur la grille. Plus la vitesse augmente, plus on peut
observer des vibrations. Plus V augmente, plus la perte de charge croit.
- Vmf < V < Vmb : pour une vitesse Vmf, on observe une expansion de la couche. Plus la vitesse
augmente, plus le lit est expansé. Pour V > Vmf, la perte de charge devient constante. Les
particules sont indépendantes les unes des autres et sont soumises à des mouvements
désordonnés qui les conduisent à se déplacer uniformément de bas en haut et de haut en bas.
On ne note aucun mouvement de translation du lit par rapport au fluide : la surface supérieure
est quasi plane.
- Vmb < V : à partir d’une certaine vitesse, des phénomènes de bullage ou de renardage
apparaissent dans le lit. L’aspect de la surface du lit ressemble à un liquide en ébullition.
- Vmb <<< V : pour de très fortes vitesses, on observe des phénomènes de pistonnage qui
peuvent conduire à une expulsion du solide hors de la colonne. Cette particularité peut être
appliquée au transport mécanique des solides pulvérulents.
On notera que la vitesse minimale de bullage Vmb est comprise entre Vmf et 5Vmf généralement.
TP Séchage par Fluidisation 11
IV. 2. b. Perte de charge à travers un lit fluidisé
Pour calculer la perte de charge liée à la grille (∆P), on utilise la relation dite de Ergun1 qui remplace la
loi de Darcy lorsque les vitesses sont importantes, et particulièrement pour les macroporeux :
( ) ( )
−+
−=∆
332
2
.
1...
.
1...
εερ
εεµ
p
g
p
g
d
UB
d
ALUP
Où :
Le bilan des forces dans le cas d’un lit fixe s’écrit :
Poids – Effort de pression – Réaction d’appui de la grille = 0
Dès que les grains ne sont plus en contact les uns avec les autres, la grille
n’a plus à supporter le poids de la couche de poudre et il vient alors :
Poids = Effort de pression
PgF
lPPS
p ∆+=−= ρ21
Or ( )[ ]llgS
PSF ⋅⋅−+⋅⋅= ρερε 1
D’où ( ) ( ) lgP FSmf ⋅⋅−⋅−=∆ ρρε1
Avec : l : hauteur du lit fluidisé,
ε : porosité ou degré de vide,
ρS : masse volumique du solide,
ρF : masse volumique du fluide.
1 Ergun 1952 Chem. Eng. Prog. 48
U Vitesse du fluide à travers le poreux m.s-1
L Epaisseur du poreux m
A constante 150
µg Viscosité du gaz Pa.s
ε Taux de vide du poreux -
dp Diamètre effectif des particules 6/Sv m
Sv surface spécifique, ( ))1.. ε−=
LS
SS t
v m2.m-3
St surface totale du solide m
S Section vide de la colonne m
B constante 1,75
ρg Masse volumique de gaz kg.m-3
Pression due à
la dénivellation
Poids des particules +
fluide, par unité de section
Perte de
charge
Différence
de pression
12 TP Séchage par Fluidisation
Lorsque le lit est totalement fluidisé, la perte de charge
est donc égale au poids apparent (Poids – Poussée
d’Archimède) de solide par unité de section. Elle devient
donc indépendante du débit de fluide.
Dans le cadre d’une fluidisation gaz-solide, on peut
simplifier l’équation :
ρS = 1000-8000 kg/m3 >> ρF = 1-3 kg/m3
D’où ( ) lgP Smf ⋅⋅⋅−=∆ ρε1
IV. 2. c. Vitesse minimale de fluidisation
En régime laminaire, ∆P est proportionnel à V0. En régime turbulent, l’augmentation est encore plus
rapide.
Cette perte de charge ne peut dépasser P/S.
On porte les valeurs de différence de pression entre l’entrée et la sortie du lit fluidisé ∆P en fonction
de Q sur un graphique.
La courbe correspondant à la première fluidisation et
celles des fluidisations suivantes ne sont pas forcément
confondues. En effet, ∆P avant fluidisation du lit dépend
du tassement qui n’est généralement pas le même dans
les deux cas.
Pour obtenir une valeur correcte et reproductible de la
vitesse minimale de fluidisation expérimentalement, il
ne faudra pas tenir compte de la première fluidisation.
Le degré de vide obtenu au début de la fluidisation peut être considéré soit comme la valeur maximale
du degré de vide du lit fixe, soit comme la valeur minimale du degré de vide du lit fluidisé. Il correspond
à un écartement entre particules tel que celles-ci commencent juste à entrer en agitation. Il est noté
εm.
La vitesse minimale de fluidisation Vmf est la vitesse du fluide à partir de laquelle le lit fluidisé s’établit.
Lorsque l’on atteint l’état fluidisé, la différence de pression de part et d’autre de la couche fluidisée
est égale au poids par unité de section de cette couche.
D’une part, ( ) ( ) lgP FSm ⋅⋅−⋅−=∆ ρρε1
D’autre part, il est possible de calculer ∆P par l’équation de Léva en régime laminaire :
( )3
2
22
1200
m
mmfl
D
VP
εε
ϕµ −⋅⋅
⋅⋅
⋅=∆
D’où :
( )m
m
FS
DVmf
εε
µϕρρ
−⋅⋅−⋅=1
05,0322
avec D : diamètre des particule assimilées à des sphères
µ : viscosité dynamique du fluide
l : hauteur du lit
ϕ : facteur de forme (ϕ=1 pour des sphères)
ρS et ρF : masses volumiques des particules et du gaz
TP Séchage par Fluidisation 13
εm : porosité du lit (= volume libre du lit / volume total du lit)
Lorsque V augmente, la porosité augmente également et par conséquent, comme la masse de
particules du lit et la section sont constante, le lit se dilate.
Quand le débit de gaz est tel que la vitesse est supérieure à la vitesse limite de chute des particules
dans le gaz au repos, le phénomène perd de sa stabilité et l’attrition s’accroissant au sein des
particules, on peut assister à l’entraînement des particules.
IV. 2. d. Caractéristiques optimales des poudres pour la fluidisation Les poudres qui se prêtent bien aux lits fluidisés ont les caractéristiques suivantes :
- solide très sec pour éviter l’agglomération des particules (sauf bien évidemment dans le cas
où le lit fluidisé est utilisé pour sécher),
- solide de diamètre entre 50 µm et 1 mm pour éviter l’agglomération,
- solide ayant une bonne résistance à l’attrition,
- distribution de taille très importante (rapport de 15 entre les diamètres extrêmes).
14 TP Séchage par Fluidisation
Annexe 1 : données pour les bilans
Bilan
Pour faire le bilan, on considèrera d’une part
1. La masse d’eau perdue par le riz : Mriz.(Hi-Hf) (1)
Où Mriz. est la masse de riz sec
Hi est la masse d’eau par masse de riz sec en début de manipulation
Hf est la masse d’eau par masse de riz sec en fin de manipulation
2. La masse d’eau partie avec l’air : On fera un calcul approximatif (préciser lequel) de :
( )dtYYQ entsortie
tf
tiair .. − (2)
Où Qair. est le débit massique d’air sec
Yentrée ,Ysortie , sont les humidités absolues de l’air respectivement en entrée et en sortie de
fluidiseur
ti, tf sont les temps respectivement de début de manipulation et d’atteinte de l’équilibre.
Calcul de l’humidité absolue à partir de l’humidité relative
On appelle l’humidité absolue d'un air, Y, le rapport de la masse de vapeur d'eau, Me, à la masse d'air
sec, Mair, contenues dans le mélange :� =��
���� (3)
On vérifiera aisément que l'humidité absolue, Y, et la fraction molaire de vapeur d'eau, ye sont liées
par : Y
Yye +
=α
(4)
où � =�
��= 0,62198 est le rapport de la masse molaire de l'eau à celle de l'air.
L’humidité relative d'un air est mesurée par le rapport entre sa fraction molaire de vapeur d'eau, ye, et
la fraction molaire de vapeur d'eau à saturation ye(eq) (T): ( )TP
P
y
yi
s
e
e
eq
e
e
)(== (5)
Où : Pe est la pression partielle de l’eau
Pe(s)(T) est la pression de vapeur saturante de l’eau qui peut être calculée en atmosphère par
la loi de Rankine (pour T ∈[280K ; 400K]) : LnPe(s)(T) = 13,7 – 5120/T
Par les relations (3), (4) et (5) , il est possible de calculer l’humidité absolue en fonction de l’humidité
relative :
−
=i
TP
P
iY
s
e )(
.
)(
α
Pour la masse volumique de l’air humide, Il est d’usage courant de comparer la valeur de ρah à la valeur
de l’air sec dans les conditions normales: T0 = 273,15 K, P0 = 101 325 Pa et ρ0 = 1,293 kg/m3 (en
kgair humide/m3air humide) :
��� = ����
�
�
��
��1 + ��
� + �
TP Séchage par Fluidisation 15
ANNEXE 2 : Considérations énergétiques
Consommation énergétique massique CEM
La CEM est la puissance fournie au préchauffeur par flux d'eau évaporée :
CEM = Ga (He -Ha) / Ga (Ys - Ye)
soit CEM = Ga (He -Ha) t / Me en kJ / kg d'eau
où :
− Ga est le débit massique d’air (kg air sec/unité de temps)
− He est l’enthalpie de l’air qui entre dans le lit fluidisé (kJ/ kg air sec).
− Ha est l’enthalpie de l’air atmosphérique qui entre dans le préchauffeur (kJ/ kg air sec). Sa
valeur est calculée ou lue sur le diagramme (en général 20°C et i = 0,5).
− Ye et Ys sont les humidités absolues de l’air, respectivement en entrée et en sortie du lit fluidisé
(kg eau / kg d’air sec).
− t est la durée de l’expérience
− Me est la masse d’eau transférée durant l’expérience
Rapport de consommation énergétique RCE
Le rapport de consommation énergétique, RCE, compare la CEM à la chaleur de vaporisation de l'eau
à 32°C, *Hv32°C (= 2420 kJ/kg eau).
RCE= CEM / ∆Hv32°C
Cette valeur, plus grande que 1, est d’autant meilleure qu’elle est faible.
En général le RCE est voisin de 2 car l'efficacité énergétique est diminuée par :
− la perte de chaleur sensible dans les gaz et le solide de sortie
− les pertes thermiques
− les forces de liaisons moléculaires
On peut améliorer l'efficacité thermique en :
− réduisant les pertes thermiques
− saturant l'air de sortie
− élevant la température de l'air d'entrée
− recyclant l'air de sortie