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Experimental and numerical study of particle withdrawal from adense fluidized bed. Application to the industrial FCC process.
No full textL'objectif de cette étude est de comprendre et de modéliser la phénoménologie du transport vertical dense descendant de particules de la classe A de la classification de Geldart. Dans un premier temps, une étude expérimentale est réalisée sur une maquette en statique (absence de circulation de solide) dans le but de déterminer expérimentalement l'effet des paramètres opératoires sur les grandeurs caractéristiques de la défluidisation des particules de FCC : vitesses de sédimentation, porosité de la phase dense, temps caractéristiques…. Ces données sont nécessaires pour l'étude de l'écoulement gaz/solide dense vertical descendant. La simulation numérique en 2D de la défluidisation est effectuée et les prédictions sont comparées aux données expérimentales. Dans un deuxième temps, des essais sur une maquette permettant de reproduire les phénomènes observés industriellement dans les écoulements denses verticaux descendants de particules sont entrepris. Les observations visuelles complètent les mesures de pressions locales obtenues le long de l'écoulement à différentes conditions avec et sans injection de gaz d'aération. L'étude expérimentale consiste à : - déterminer les limites des différents régimes en termes de débit surfacique de solide et de débit d'aération ; - établir les propriétés de l'écoulement dans les différents régimes. Dans un troisième temps, les propriétés des écoulements de différents régimes sont étudiées et modélisées par une approche monodirectionnelle du type bulle-émulsion.The objective of this study is to understand and model the phenomenology of the vertical downward dense transport of class A particles of the Geldart classification. Initially, an experimental study is conducted on a static fluidized bed (no flow of solid) in order to determine experimentally the effect of operating parameters on the defluidization properties of FCC particles, such as, sedimentation rates, dense phase porosity, characteristic times ... These data are needed to study gas/solid dense downward flow. 2D numerical simulations of defluidization are performed and the predictions are compared with experimental data. In a second step, experiments are undertaken in a pilot unit able to reproduce the gas/solid dense downward flow phenomena observed in industrial units. Visual observations complement the local pressure measurements profile obtained for the different flow conditions with and without external injection of gas. The experimental study is conducted to: - determine the boundaries of different flow patterns in terms of solid mass flux and gas flowrate; - establish flow properties in different flow patterns. Finally, flow properties of the different patterns are studied and modelled by a monodimensional bubble/emulsion approach
Refuse-Derived Fuel pyrolysis and steam-gasification in a fluidized bed reactor between 700 and 850°C for the production of hydrogen-rich syngas
No full textLes procédés de gazéification sont essentiellement développés pour la conversion thermochimique de la biomasse lignocellulosique. Le bois, bien que reconnu comme renouvelable, est une ressource fortement soumise aux compétitions d’usage. Ainsi, les tensions qui apparaissent sur le marché du bois incitent les acteurs de la filière à diversifier très largement leurs approvisionnements vers des ressources plus atypiques telles que les résidus ligneux de tous genres, ou des déchets avec peu ou pas de débouché les CSR (Combustibles Solides de Récupération). Cette étude est divisée en trois grands volets. Une étude paramétrique portant sur la pyrolyse et la vapogazéification des résidus solides dans un pilote de pyrogazéification en lit fluidisé entre 700 et 850°C. Les intrants utilisés sont le bois de pin, deux lots de CSR issus du tri des ordures ménagères et un lot de CSR issu de bois B. Cette étude a permis de mettre en évidence l’effet des conditions opératoires (température, rapport massique H2O/intrant) ainsi que de la nature de l’intrant sur la composition et le rendement du syngas issu de l’étape de pyrolyse d’une part et de la vapogazéification d’autre part. Le deuxième volet consiste en une étude cinétique consacrée à l’effet de la température et de la nature de l’atmosphère gazeuse du réacteur (inerte, réductrice et oxydante) sur les interactions chimiques entre un goudron modèle (toluène) et les particules d’olivine calcinée dans un mini-réacteur à lit fluidisé. Les résultats ont montré que ces interactions en modifiant les spéciations des oxydes de fer présents dans l’olivine ont des effets significatifs sur l’activation catalytique de l’olivine. Par ailleurs, les informations tirées de cette étude ont permis de mieux comprendre et analyser l’évolution des propriétés du syngas issu de la pyrogazéification en régime transitoire. Enfin, une étude théorique de la modélisation et de la simulation du réacteur de gazéification en lit fluidisé intégrant les réactions de pyrolyse, de vapogazéification du char, de Water-Gas Shift et de reformage des goudrons. La confrontation entre les prédictions du modèle et les résultats expérimentaux ont permis de mieux comprendre l’effet des paramètres opératoires sur l’avancement de différentes réactions.Gasification processes are mainly developed for the thermochemical conversion of lignocellulosic biomass. Although wood is recognised as a renewable resource, it is highly subject to competition for use. Thus, the tensions that are appearing on the wood market are encouraging the players in the sector to diversify their supplies to a large extent towards more atypical resources such as wood residues of all kinds, or waste with little or no outlet - solid recovery fuels (SRFs). This study is divided into three main parts. A parametric study on the pyrolysis and steam gasification of solid residues in a fluidised bed pyrogasification pilot at 700 to 850°C. The inputs used were pine wood, two batches of RSC from sorted household waste and one batch of RSC from B wood. This study made it possible to highlight the effect of the operating conditions (temperature, H2O/input mass ratio) as well as the nature of the input on the composition and yield of the syngas resulting from the pyrolysis stage on the one hand and the steam gasification stage on the other. The second part consists of a kinetic study devoted to the effect of temperature and the nature of the gaseous atmosphere of the reactor (inert, reducing and oxidising) on the chemical interactions between a model tar (toluene) and calcined olivine particles in a mini fluidised bed reactor. The results showed that these interactions, by modifying the speciations of the iron oxides present in the olivine, have significant effects on the catalytic activation of the olivine. In addition, the information obtained from this study has allowed a better understanding and analysis of the evolution of the properties of syngas from pyrogasification in the transient regime. Finally, a theoretical study of the modelling and simulation of the fluidised bed gasification reactor integrating the pyrolysis, char vaporisation, water-gas shift and tar reforming reactions. The comparison between the model predictions and the experimental results allowed a better understanding of the effect of the operating parameters on the progress of the different reactions
A new CO2 concentration technology integrated into cement plant : study of a new decarbonation process
No full textCette étude s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle technologie de concentration du CO2 intégrée à la cimenterie. Le principe de cette technologie repose sur une décarbonatation de la matière crue par contact avec un solide caloporteur dans un procédé innovant qui conduit à un dégagement de CO2 pur à haute température. Ce CO2 pourra ensuite être stocké dans le sous-sol ou valorisé chimiquement. L’objectif de ce travail est d’étudier la décarbonation du cru dans les conditions opératoires qui simulent le plus fidèlement possible la nouvelle unité industrielle. D’abord, la cinétique de décarbonation est étudiée en thermobalance sur des échantillons de poudre de CaCO3 pur qui est le composé majoritaire du cru. Les résultats conduisent à une meilleure compréhension des phénomènes qui pilotent la réaction ainsi qu’à l’élaboration des lois cinétiques permettant de prédire l’effet de la température entre 600 °C et 930 °C, et de la pression partielle de CO2 entre 0 atm et 1 atm sur l’avancement de la réaction. Ensuite, les interactions pouvant se produire entre le CaCO3 et les autres solides qui composent un cru industriel, lors de sa calcination sous atmosphère de CO2 pur, sont étudiées sur le plan cinétique (thermobalance), thermodynamique (simulations) et morphologique (DRX et DRX in situ). Enfin, dans le but de simuler la décarbonatation du cru et son élutriation dans le procédé réel, et en particulier dans la partie basse du nouveau calcinateur, un pilote fonctionnant à chaud a été réalisé au cours de ce travail. Il permet d’effectuer la décarbonatation du cru alimenté en discontinu et en continu dans un lit de média fluidisé (clinker ou olivine). Ont été examinées les influences de la température, de la vitesse de gaz, du débit de solide et de la nature du gaz de fluidisation (CO2 pur ou mélange air/CO2) sur les phénomènes hydrodynamiques (élutriation, accumulation, temps de séjour …), les interactions cru-média et le degré d’avancement de la réaction de décarbonatation.This study concerns a new CO2 concentration technology integrated into the cement plant. This technology consists in the raw mix decarbonation, induced by its contact with a solid medium in charge of the heat transfer, in an innovative process leading to the emission of pure CO2 at high temperature. This pure gas may be stored underground or used as chemical reactant. This work consists in the study of the decarbonation reaction of the raw mix in operating conditions that are similar to the ones of the new industrial unit. First, the decarbonation kinetics is studied by thermogravimetric analysis on pure CaCO3 powder samples. CaCO3 is the main component of the raw mix. The results led to a better comprehension of the phenomena driving the reaction kinetics and to the determination of kinetic laws in good agreement with the data obtained between 600 °C and 930 °C, and for a partial pressure of CO2 between 0 atm and 1 atm. Then, the interactions between the CaCO3 and the other solids in an industrial raw mix, occurring during its calcination in pure CO2 atmosphere, are studied kinetically (TGA), thermodynamically (simulations) and morphologically (XRD and in situ XRD). Eventually, an experimental device working at high temperatures was built for this study in order to simulate the decarbonation reaction of the raw mix and its elutriation in the real process. This device allows calcining the raw mix in a fluidized bed of media (clinker or olivine). The influences of the fluidized bed temperature, the fluidizing gas velocity, the solid feed rate and the fluidizing gas composition (pure CO2 or air/CO2 mixes) on the hydrodynamic phenomena (elutriation, accumulation, residence time …) , the raw mix-media interactions and the conversion degree are studied
Experimental study of pyrolysis and steam gasification of sewage sludge in fluidized bed reactors between 700 and 900 °C : comparison with woody wastes
No full textLa gazéification des biomasses lignocellulosiques apparaît actuellement comme une solution technologique prometteuse permettant la production d’un gaz à haute valeur ajoutée, utilisable dans de nombreuses applications. Cependant, les tensions qui commencent à apparaître sur le marché du bois incitent les acteurs du secteur à se tourner vers d’autres ressources lignocellulosiques telles que les résidus agricoles, les déchets verts municipaux et les boues de STEP. Suivant les cas, ces déchets sont vus comme des effluents à traiter dont le coût peut être parfois nul ou négatif. L’objectif de ces travaux est de mieux comprendre et modéliser les phénomènes qui se déroulent lors de la gazéification des déchets (boues de STEP et déchets verts municipaux) en lit fluidisé. Dans un premier temps, sont présentés successivement une étude de caractérisation physico chimique et texturale des intrants utilisés ainsi que des chars issus de leur pyrolyse rapide ainsi qu’une étude cinétique portant sur l’influence de la température de pyrolyse et de la nature de l’intrant sur la réactivité de char. Dans un second temps, sont exposés les résultats obtenus lors de la pyrolyse et de la vapogazéification des déchets dans un pilote de pyrogazéification en lit fluidisé entre 700 et 900 °C. Les études paramétriques ont permis de mettre en évidence l’effet des paramètre opératoires (température, rapport massique H2O/intrant, nature de l’intrant et du média fluidisé) sur les performances de la gazéification et d’identifier les paramètres clés permettant de contrôler la composition ainsi que le taux de production du gaz de synthèse. Par ailleurs, à partir des résultats obtenus sont proposés des schémas réactionnels pour la pyrolyse des déchets entre 700 et 900 °C. Enfin, les résultats d’une étude de modélisation du réacteur de gazéification des déchets en lit fluidisé intégrant les réactions de pyrolyse, de vapogazéification du char, de water-gas shift et de reformage des goudrons sont présentés et comparés avec les résultats expérimentaux afin de mieux comprendre l’effet des paramètres opératoires sur les taux d’avancement de différentes réactions.The gasification of lignocellulosic biomass is viewed as a promising technological solution for theproduction of a high value-added gas that could be used in several applications. However,emerging tensions in the wood market are prompting industrial actors to turn to otherlignocellulosic resources, such as agricultural residues, municipal green waste and sewage sludge(SS). Depending on the case, these wastes are considered as effluents with a zero or negativecost. The objective of this work is to better understand and model the phenomena that occurduring the gasification of sewage sludge and green wastes in a fluidized bed. Firstly, aphysicochemical and textural characterization study of the selected fuels and their chars resultingfrom their rapid pyrolysis as well as a kinetic study on the influence of the pyrolysis temperatureand the nature of solid fuel on the reactivity of char were presented. Then, the results obtainedduring the pyrolysis and steam gasification of wastes, in a fluidized bed gasification pilot plant, arepresented for temperatures ranging between 700 and 900 °C. Parametric studies allows to betterunderstand the effect of operating parameters (temperature, H2O/fuel mass ratio, the nature of thefuel and the kind of the fluidized medium) on the gasification performance and to identify the keyparameters that control the composition, as well as the syngas production yield. Moreover,reaction schemes are proposed based on the experimental results, for the pyrolysis of wastesbetween 700 and 900 °C. Finally, the results of a modelling study of the gasifier, integrating thereactions of pyrolysis, char steam gasification, water-gas shift and tar reforming are presented andcompared to the experimental results in order to better understand the effect of the operatingparameters on the conversion rate of different reaction
Biomass gasification in a dense and circulating fluidized bed between 750 and 850°C : hydrodynamic and reactive study
No full textLa conversion thermochimique de la biomasse en lit fluidisé circulant permet la production d’un gaz à haute valeur ajoutée, utilisable dans de nombreuses applications. L’objectif de ces travaux est de mieux comprendre et modéliser les phénomènes couplés, hydrodynamiques et réactifs, se déroulant en lit fluidisé circulant. Dans un premier temps, un pilote de pyrogazéification de 20 kg/h de biomasse en lit fluidisé circulant a été conçu. L’étude hydrodynamique de ce pilote a ensuite été réalisée entre 20 et 950 °C. Les résultats ont permis d’établir des règles de design et de fonctionnement de réacteurs de gazéification en lit fluidisé circulant. Dans un second temps, une étude de la pyrogazéification de la biomasse a été réalisée en lit fluidisé dense ainsi qu’en lit fluidisé circulant, entre 750 et 850 °C. L’étude de l’influence de nombreux paramètres opératoires (températures, pression partielle de la vapeur d’eau, débit de biomasse, débit de circulation, inventaire et nature du média, forme de la biomasse) sur les performances de la gazéification a permis d’identifier les paramètres clés permettant de contrôler la composition ainsi que le volume de gaz de synthèse produit. Par ailleurs, à partir des résultats expérimentaux, un schéma réactionnel est proposé pour la pyrolyse de la biomasse étudiée. Enfin, un outil de modélisation du réacteur de gazéification de la biomasse en lit fluidisé dense et circulant, intégrant les réactions de pyrolyse, de gazéification, de water-gas shift et de reformage des goudrons a été développé et validé sur les résultats expérimentaux.The biomass thermochemical conversion in fast internally circulating fluidized bed (FICFB) allows producing a high-added value syngas that can be used in many end-use applications. This work aims to better understand and model the coupled phenomena, hydrodynamic and reactive, occurring in FICFB processes. In a first time, a 20 kg/h FICFB biomass pyrogasification pilot was designed and erected. Then, the hydrodynamic study of this pilot was carried out between 20 and 950 °C. Results led to propose some design and operation rules for FICFB gasifiers. In a second time, biomass pyrogasification was studied in a dense fluidized bed (DFB) as in a FICFB, between 750 and 850 °C. From the survey of the effect of numerous operating parameters (temperatures, steam partial pressure, biomass feeding rate, circulation flow rate, bed material inventory and nature, biomass shape) on the gasification performances, the key parameters for the control of produced syngas volume and composition were identified. Finally, a modelling tool of DFB and FICFB biomass gasifiers, integrating pyrolysis, gasification, water-gas shift and tars reforming reactions was developed and validated on the experimental results
Hyperdense phase transport by fluidization : technological improvement, modeling and design
No full textCette étude est consacrée à la compréhension des phénomènes mis en jeu dans les écoulements fluidisés denses verticaux ascendant et descendant, ainsi que dans leur couplage avec un écoulement fluidisé dense horizontal dans une enceinte à pression contrôlée. Tout d'abord une étude hydrodynamique, réalisée dans une colonne de fluidisation classique sans circulation de solide, a permis de déterminer les différentes grandeurs caractéristiques de la suspension lors de sa fluidisation et de sa désaération, indispensables à la compréhension et à la modélisation des écoulements : Vitesses minimales de fluidisation et de bullage. Porosités au minimum de fluidisation et de bullage. Porosité de la phase dense. Vitesse de désaération et de sédimentation. Puis, l'influence des paramètres tant géométriques (diamètre de la colonne d'expédition, longueur de la partie horizontale, …) qu'opératoires (vitesses de fluidisation de la partie horizontale et d'aération de la colonne d'expédition, politique de dégazage, …) sur le comportement global de deux unités pilotes a mis en évidence les paramètres clés du procédé : Vitesse de fluidisation de la partie horizontale. Politique de dégazage. Aération de la colonne d'expédition. Les transferts de gaz entre les différentes zones du procédé ont également été mis en évidence grâce à l'utilisation d'un traceur gazeux. Enfin, une modélisation de type monodirectionnelle est entreprise dans le but de simuler le comportement des suspensions fluidisées denses en écoulement verticaux ascendant et descendant. Les résultats obtenus concordent de manière très satisfaisante avec les mesures expérimentales. Ils permettent de mettre en évidence les mécanismes de transport ascendant de solide. De plus, le logiciel de calcul ainsi créé permet d'optimiser les dimensions d'une conduite verticale accueillant une suspension fluidisée dense en écoulement descendant afin d'en garantir le bon fonctionnement.This study is dedicated to the understanding of the phenomena involved in dense fluidized upward and downward flows, and their coupling with a dense fluidized horizontal flow in a pressure controlled chamber. First of all, a hydrodynamic study, conducted in a solid particles flow-free cylindrical fluidization column, is initiated to determine the fluidization and de-aeration characteristics parameters, required to the flows understanding and modeling: Minimum fluidization and minimum bubbling rates. Minimum fluidization and minimum bubbling voidages. Dense phase voidage. De-aeration and sedimentation rates. Then, the geometric (upward-flow zone diameter, horizontal chamber length, …) and operating (horizontal chamber fluidization rate, degassing policy, …) parameters influences on two pilot-scaled unities behavior highlights the process key parameters: Horizontal chamber fluidization rate. Degassing policy. Upward-flow additional aeration. The use of helium tracking also highlights the gas transfer phenomena between horizontal, vertical upward, and vertical downward flow zones. Finally, a monodirectional model is created in order to simulate dense gas/solid suspensions behavior in vertical upward and downward flows. The computed results are concordant with the experimental data and highlight the upward solid conveyance mechanisms. The computation software can also optimize the downward pipe dimensions with the aim of maintaining a good flow
Hydrodynamic and Thermal Study of a New Concept of Solar Receiver using Dense Suspensions of Particles
No full textParmi les centrales solaires thermiques à concentration, la technologie des centrales à tour offre l'un des rendements les plus importants de production d'énergie. Néanmoins, l'efficacité et la sécurité de ces centrales sont améliorables. En effet, les sels fondus, généralement utilisés comme fluide de transfert thermique, présentent une plage limitée d'utilisation (200-550°C), à l'origine des limites d'efficacité de la conversion thermique-électrique, ainsi que de consommations parasites d'énergie de chauffage. De plus, leurs caractères corrosif et comburant sont à l'origine de sévères contraintes de sécurité. Un nouveau concept de récepteur solaire, dont les caractéristiques permettent de s'affranchir des contraintes associées aux sels fondus, est présenté dans ce manuscrit. Il utilise des suspensions denses de particules fluidisées par un gaz comme fluide de transfert et de stockage de l'énergie thermique. Ce concept, et la technologie de récepteur associée, a été brevetée par Flamant et Hemati dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire CNRS-PROMES d'Odeillo, et l'Institut National Polytechnique de Toulouse. Son développement a reçu le soutien financier du CNRS, puis de la Commission Européenne. Les propriétés thermiques du carbure de silicium ont déterminé le choix de ce solide. Le diamètre moyen des particules utilisées avoisine 60 micromètres (groupe A). Ces particules présentent d'excellentes propriétés de fluidisation pour des vitesses de gaz faibles. La construction et l'exploitation d'une maquette froide transparente ont permis de démontrer la faisabilité hydrodynamique du concept. Cette maquette est un échangeur à deux passes. Chaque passe est constituée de deux tubes verticaux en parallèle. L'une est traversée par un débit vertical ascendant de solide, l'autre descendant. Un débit de solide continu, stable et équitablement réparti a été obtenu à l'intérieur des tubes. La caractérisation hydrodynamique détaillée de l'écoulement, et du comportement globale de la maquette, en fonction des conditions opératoires, a été effectué sur la partie ascendante de l'écoulement dans l'échangeur. La construction et l'exploitation d'une maquette chaude, constituée d'un seul tube traversé par une suspension dense en écoulement ascendant, chauffé par 3 fours d'une puissance totale de 5,6 kW, a permis d'estimer la capacité de transfert thermique de ce nouveau type d'échangeur. Le contrôle et la stabilité des conditions opératoires a permis d'évaluer l'effet de ces dernières sur le transfert thermique entre l'échangeur et la suspension dense de fines particules le traversant. La modélisation par 3 approches du transport ascendant de la suspension dense a également été réalisée. Une approche corrélative 1D basée sur le formalisme du modèle Bulle-Emulsion, adapté afin de tenir compte de l'entraînement des particules dans le sillage des bulles. Ce modèle permet de représenter la structure diphasique de l'écoulement. Une autre approche 1D a été utilisée. Elle repose sur la résolution des équations locales de conservation de masse et de quantité de mouvement sur chaque phase gaz et solide. Cette méthode permet de s'affranchir des hypothèses du modèle Bulle-Emulsion. Enfin, la simulation numérique 3D a été réalisée sur un maillage complet du système, de telle sorte que les conditions aux bornes imposées son identiques à celle imposée par l'opérateur (débit de fluidisation, débit d'aération, débit de solide, pression de la nourrice). Cette dernière apporte des informations sur la structure locale de l'écoulement, dont les caractéristiques permettent d'expliquer l'efficacité du transfert thermique entre la suspension et la paroi observé expérimentalement.Among concentrating solar power plants, solar tower technology is one of the more power efficient. Nevertheless, their efficiency and safety can be improved. Indeed, molten salts, commonly used as heat transfer fluid, have a limited range of operating temperature (470-820K), thus lowering the thermal-electrical conversion efficiency, and increasing parasitic power consumption. Moreover, they are corrosive and combustion agent, leading to severe safety constraints. A new concept of solar receiver is presented in the present study, the characteristics of which avoid most of the molten salts drawbacks. It uses dense gas-particle suspension as heat transfer and storage fluid. This concept and the associated technology has been patented by Flamant et Hemati in the frame of a collaboration between the PROMES-CNRS Laboratory of Odeillo and the Polytechnic National Institute of Toulouse. Its development has been first supported by the CNRS, and later by the European Commission. Thermal properties of silicon carbide have determined the choice of this solid. The mean diameter of particles is around 64 microns (A group). These particles have excellent fluidisation properties at low gas velocities. The construction and the operation of a transparent cold mockup allowed demonstrating the hydrodynamic feasibility of this concept. This mockup is composed of two passes. Each pass is composed of two tubes in parallel. One pass is upward flow of solid, the other is downward flow. A steady, stable and evenly distributed solid flow has been set inside the tubes. The global behaviour of the system and the hydrodynamics of the suspension has been evaluated as a function of operating parameters on the upward pass. The construction and the operation of a hot mockup allowed estimating the heat transfer efficiency of this new kind of exchanger. On this mockup, the dense suspension flows upward inside a single tube, heated by three ovens of 5.6 kW total power. Thanks to the control and stability of the operating parameters, their effects on the heat transfer between the tube and the dense gas-solid suspension has been accurately determined. Modelling of the suspension upward flow has been performed using 3 approaches. The first one is based on the 1D Bubble-emulsion formalism, adapted to take into account the solid entrainment by the bubble wakes. It allows modelling the diphasic structure of the flow. The resolution of the local mass and momentum balance equation on each phase has also been performed. It allows to sidestep the Bubble-Emsulion assumptions, and to study the effects of drag models. 3D simulation has been performed on a complete mesh of the system, so that the boundary conditions are the same as those imposed by the operator (fluidisation flow rate, aeration flow rate, solid flow rate, dispenser pressure). These simulations give information on the local structure of the suspension flow, influencing on the heat transfer efficiency between the exchanger wall and the suspension
Biomass gasification in dual fluidized bed : study of the intrinsic kinetics of char gasification and combustion and the reforming of tars
No full textLa conversion thermochimique à haute température (>700°C) de la biomasse en double lit fluidisé circulant est une voie alternative aux énergies fossiles (pétrole, charbon) pour la production d’un gaz de synthèse à haute valeur énergétique, utilisable dans de nombreuses applications. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodologies et des outils théoriques et expérimentaux permettant d’accéder aux cinétiques des transformations élémentaires (pyrolyse de la biomasse, gazéification et combustion du char, craquage et reformage des goudrons) présentes dans le procédé de gazéification de la biomasse en double lit fluidisé circulant. Dans un premier temps, un mini-réacteur à lit fluidisé fonctionnant entre 300 et 1000°C avec une alimentation en gaz parfaitement contrôlée (N2, O2, H2, H2O et goudrons) a été conçu et mis au point au Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse. Un système d’échantillonnage et d’analyse de la phase gaz permet de quantifier en continu les fractions molaires des gaz incondensables et des goudrons produits. Une étude hydrodynamique et thermique a permis de déterminer les points de fonctionnement du réacteur pour chaque transformation élémentaire étudiée. Dans un second temps, les études de gazéification et de combustion du char ont été réalisées dans le mini-réacteur à lit fluidisé. L’influence de nombreux paramètres opératoires (température, pression partielle des différents constituants) a permis de comprendre la formation des différents produits et de modéliser les cinétiques de transformation du solide. Dans le cas de la combustion du char, un mécanisme réactionnel a également été établi et la cinétique obtenue en lit fluidisé a été comparée à celle déterminée par analyse thermogravimétrique. Enfin, une étude sur le reformage d’un goudron modèle (toluène) en lit fluidisé a mis en évidence l’effet de l’atmosphère réactionnelle sur le mécanisme de dégradation du toluène sur l’olivine et le char.The thermochemical conversion of biomass at high temperature (>700°C) in Fast Internally Circulating Fluidized Bed (FICFB) is a promising alternative route to fossil fuels (oil, coal) to produce syngas which can be used in several applications. The aim of the present work is to develop methodologies as well as theoretical and experimental tools for determining the intrinsic kinetic of biomass transformations (biomass pyrolysis, char gasification and combustion, cracking and reforming of tars). Firstly, a fluidized bed reactor has been designed and built at the Laboratory of Chemical Engineering (LGC). This reactor can operate for temperatures between 20 and 1000°C with a well-defined gas supply (N2, O2, H2, H2O and tars). A sampling and analysis gas system enables the continuous quantification of the non-condensable gases and tars molar fractions. A hydrodynamic and thermal study enabled the determination of the operating conditions for each experimental study. Secondly, the char gasification and combustion was performed in the fluidized bed reactor. The influence of the operating conditions (temperature and compounds partial pressure) led to the modelling of the different solid transformation kinetics. Besides, in the case of char combustion, a reaction scheme was proposed and the kinetic obtained in the fluidized bed was compared to that obtained in a thermogravimetric analyzer. Finally, a study on the tar reforming in a fluidized bed reactor highlighted the effect of the reactive atmosphere on the reaction scheme of toluene conversion over olivine and char
Thin layer coating of the surface of solid particles with a composite material : application of the coating of vitamin forms
No full textCette étude est consacrée à l'élaboration de vernis d'enrobage composites constitués d'une fine dispersion de matériau hydrophobe dans une matrice de polymère. Ce type de matériau est appliqué à la surface de particules alimentaires, grâce à un procédé de pulvérisation en lit fluidisé, afin d'assurer la protection de ces particules vis-à-vis d'atmosphères humides. Nous avons développé un protocole de formulation, des vernis d'enrobage et des outils de caractérisation des dispersions liquides mais également des vernis secs sous forme de films minces. Nous avons étudié l'influence des paramètres liés au protocole de formulation et à la composition sur la stabilité de la dispersion, sur les propriétés d'usage des films d'enrobage secs mais également sur les interactions entre les différents constituants. A partir de l'ensemble de ces résultats, deux formulations ont été retenues. Afin d'étudier l'influence des conditions séchage sur les propriétés des films d'enrobage, nous avons conçu une veine de séchage convectif. Les résultats ont montré que la morphologie et les propriétés des films secs sont essentiellement pilotées par la période de séchage à vitesse décroissante, lorsque la cinétique d'évaporation du solvant est limitée par la diffusion de celui-ci à travers le film de vernis. De plus, nous avons observé que l'augmentation de la température de séchage, notamment pour des températures de séchage proche de la température de fusion des composés fusibles des vernis (40°C pour le PEG 1500 et 55°C pour l'acide stéarique), induit des transformations morphologiques importantes des films. L'apparition de cette nouvelle morphologie provoque une amélioration notable des possibilités de déformation des films secs sans modifier leurs propriétés barrières.This study deals with the elaboration of a composite coating agent made of a fine dispersion of a hydrophobic material in a polymeric solution. Such material is applied on particles surface, thanks to a fluidised bed pulverization, to ensure their protection from wet atmosphere. We have developed a formulation protocol, coating agents and characterization tools of liquid formulation and dry thin coating films. These tools allow us to assess the influence of formulation and composition parameters on dispersion stability, valuable film properties and on interactions between film components. Thanks to these experiments, two formulations have been developed. To study the drying parameters impact on coating agent properties, a convective dryer have been designed. Dry films morphology and properties strongly depend on fallen drying rate period when solvent evaporation is limited by its diffusion through the wet film. Furthermore, we have observed that the drying temperature rise induces film morphology transformation, especially with drying temperature close to melting temperature of film fusible components (40°C with PEG 1500 and 55°C with stearic acid). This new morphology causes a great increasing of film plastic properties without endangered their barrier properties
Optimization of drying operations in powder PVC production line. Experimentation, simulation and modeling.
No full textLors de la production du PVC en poudre, après l’étape de polymérisation en suspension, on obtient une bouillie constituée d’un mélange de grains macroporeux de taille comprise entre 100 et 200 μm et d’eau. L’étape de centrifugation permet la séparation de la phase liquide exprimable et la production d’un milieu poreux humide appelé « gâteau ». La teneur en eau du gâteau ainsi formé est de 30 % de la masse du produit anhydre. Le séchage du gâteau de filtration se fait dans un séchoir Flash (séchoir pneumatique) couplé à un séchoir à lit fluidisé. Cette opération, très gourmande en énergie et donc très impactante en termes d’émission de Gaz à Effet de Serre (GES), représente 30% du coût de fabrication et 50% des émissions de CO2. Ce travail, réalisé dans le cadre d’une collaboration avec le groupe INEOS ChlorVinyls, est consacrée à l’étude de l’étape de séchage thermique, et à la réalisation d’outils expérimentaux et théoriques permettant d’optimiser le fonctionnement et de réduire la consommation énergétique de cette étape. Dans ce but, l’étude du séchage du PVC est réalisée à l’échelle d’une particule isolée d’une part, et à l’échelle du procédé industriel d’autre part. La détermination expérimentale de la cinétique de séchage est effectuée en immergeant une quantité de produit humide (gâteau de filtration) dans un lit fluidisé de grosses particules inertes et chaudes (billes de verre), et permet d’étudier l’influence de différents paramètres sur la cinétique d’évaporation. Les résultats ont montré que cette cinétique est limitée par les processus d’évaporation à l’intérieur et à la surface des particules. Du point de vue théorique, un modèle dont le principe repose sur les bilans de matière et de chaleur à l’échelle du grain de PVC, couplés aux bilans sur le séchoir à lit fluidisé, a été élaboré. La comparaison des résultats de ce modèle avec les résultats expérimentaux a permis de vérifier la validité de la loi cinétique ainsi établie. Finalement, cette loi a été intégrée dans un modèle simulant le séchoir pneumatique industriel. Les résultats théoriques sont comparés à des mesures réalisées sur un séchoir pneumatique industriel équipé de capteurs de pression, d’humidité et de température. Les résultats de cette étude ont permis de proposer une nouvelle stratégie de régulation du séchoir pneumatique ainsi que des modifications du procédé, ne nécessitant pas d’investissement. L’ensemble de ces propositions a permis de réduire d’environ 30% la consommation énergétique pour un rendement de séchage équivalent.In a PVC powder production line, the step of suspension polymerization produces a mixture of macroporous particles and water, called “slurry”. The mean particle size varies between 100 and 200 µm. The centrifugation step eliminates most of water content and produces a wet porous medium called “cake”. The water content of the cake is about 30% of the dry product mass. Drying operations take place in a Flash dryer (pneumatic dryer) coupled with a fluidized bed dryer. These operations, which consume a lot of energy and produce greenhouse gas, represent 30% of the production cost and 50% of the CO2 emissions. This work, realized in collaboration with INEOS ChlorVinyls group, is devoted to the study of the thermal drying step and to the realization of experimental and theoretical tools in order to optimize and reduce the energy consumption of this step. The study of the drying step is realized, on the one hand, at the particle scale and, on the other hand, at the industrial dryer scale. The particle scale drying kinetic is obtained by immersing a sample of wet product in a fluidized bed of warm inert particles (glass beads), and enables to study the influence of different parameters on the evaporation kinetic. The results have shown a limitation of this kinetic by the evaporation process both inside the particles and on their outer surface. In a theoretical way, a model based on mass and heat balances at particle scale coupled with fluidized bed balances, has been developed. The kinetic law developed is validated by the comparison between the results of this model and the experimental results. Finally, this law is integrated in a model simulating the industrial pneumatic dryer. The theoretical results are compared to the measurements realized on an industrial pneumatic dryer, equipped with several pressure, humidity and temperature sensors. The results of this study lead to the proposition of a new regulation strategy for the pneumatic dryer and some zero-investment modifications of the process. All these propositions enable an energy consumption reduction of 30%
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