Lorsqu'on fait passer un gaz de bas en haut à travers un lit de particules solides, au-delà d'une certaine vitesse la force de traînée équilibre le poids des particules et le lit se fluidise : le solide se met à se comporter comme un liquide.
La vitesse seuil (vitesse minimale de fluidisation) se trouve en égalant la perte de charge du lit au poids des particules ; la corrélation d'Ergun est la source classique pour cette perte de charge [1].
Les bulles : à la fois la solution et le problème
Au-delà de la vitesse minimale de fluidisation, le gaz excédentaire traverse le lit sous forme de bulles.
L'avantage : les bulles qui montent mélangent les solides. C'est pour cela que les lits fluidisés donnent une excellente répartition de la chaleur et fonctionnent de façon quasi isotherme.
L'inconvénient : le gaz à l'intérieur d'une bulle traverse le lit presque sans contact avec les solides — une voie de court-circuit. Le rendement de réaction ou de transfert thermique peut donc rester en deçà des attentes.
La conception s'attache à maîtriser la taille des bulles : trop petites, le mélange est faible ; trop grosses, le court-circuit est excessif.
Les autres régimes
Quand la vitesse augmente, le lit passe par le renardage, le pistonnage, puis enfin le transport pneumatique. Chaque régime appelle une approche de modélisation différente ; choisir un modèle sans savoir dans quel régime on se trouve n'a pas de sens.
Modélisation
Comme la fraction volumique de solides est élevée, suivre les particules une à une n'est pas praticable ; les deux phases doivent être résolues comme des milieux continus interpénétrants. Voir la note sur l'écoulement multiphasique.
Le résultat dépend fortement de la traînée interphase et des fermetures pour les collisions entre particules. C'est un poste d'incertitude et il doit figurer au rapport.
Le problème est en outre intrinsèquement instationnaire : les bulles se forment, coalescent et éclatent. Une solution stationnaire ne peut pas du tout voir les bulles et montre le lit comme homogène. Voir la note stationnaire ou instationnaire.
Références
- Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806