Le contexte industriel

Le sujet du bureau d'étude industrielle (BEI) : « quantification des chocs dans un lit fluidisé », fut proposé par Mr Andreux de l'Institut Français du Pétrole (IFP) . Il est co-encadré par Mr Climent, chercheur à L'IMFT.


Le but de ce BEI est d'étudier et comprendre les processus de brisure des particules dans les lits fluidisés. Cette étude est prospective et vise à développer des compétences sur cette problématique.


Le lit fluidisé est un procédé présent dans beaucoup de processus industriel: craquage du pétrole, capture du CO2, combustion de la biomasse et du charbon..etc. Il consiste à mettre en mouvement (du bas vers le haut) des particules grâce à la force qu'exerce un fluide afin de maximiser les échanges fluide-particules. Les particules peuvent être des catalyseurs chimiques, des particules de charbon ou de biomasse et le fluide peut être soit un liquide (pétrole pour le craquage) ou un gaz (air pour la combustion).



Ces lits fluidisés sont caractérisés par une forte interaction entre les particules qui communiquent leur agitation par des chocs entre-elles. Elles peuvent aussi impacter les parois. Tous ces chocs peuvent provoquer la rupture des particules ce qui peut avoir des effets négatifs ou positif. Dans tous les cas, une meilleur compréhension de ces mécanismes est nécessaire afin d'optimiser les procédes actuels.


Voici plusieurs exemples industriels où ces phénomènes ont une réelle importance:


Les catalyseurs dans le procédé du crackage du pétrole

Dans le crackage du pétrole, les catalyseurs chimiques sont chères et fragiles. Actuellement les exploitants de tour catalytique doivent fournir toutes les semaines plusieurs tonnes de catalyseurs afin de combler la perte de catalyseurs. La fragmentation transforme un partie des catalyseur en poudre qui est évacuée via les cheminées provoquant une pollution atmosphérique. L'étude du processus de rupture représente donc un réel enjeux économique et environnemental.


La combustion de la biomasse et du charbon

A cause des brisures, plus les particules de combustibles (bois, charbon..etc) sont fines plus l'échange fluide-particules est maximisé. On a donc une accélération du processus de combustion lors de la fragmentation ce qui peut provoquer des régions de températures élevées qui perturbent le fonctionnement du procédé.


La capture du C02

Le CO2 est produit par la combustion des énergies fossiles (gaz, pétrole, charbon) et il est le principal « gaz à effet de serre ». Afin de pouvoir le stocker dans des sites géologiques, il doit être séparé de tous les produits pouvant provenir d'une combustion avec de l'air (vapeur d'eau, azote, etc.).


Il existe déjà pour cela plusieurs procédés permettant d'obtenir du dioxyde de carbone pur regroupés en trois catégories :


Captage en postcombustion (captage par solvant chimique du CO2 contenu dans les fumées)

Captage par oxycombustion (combustion en présence du seul O2)

Captage par précombustion (précombustion en présence importante de vapeur de vapeur d'eau)


Ces procédés souffrent du fait qu'il est nécessaire d'utiliser plusieurs équipements coûteux et de consommer énormément d'énergie afin de retrouver une pureté satisfaisante du CO2, c'est pourquoi la combustion en boucle chimique (CLC : Chemical Looping Combustion) est à l'étude afin de réduire les coûts énergétiques et équipementiers.


Ce procédé permet de s'affranchir de l'étape de séparation de l'oxygène de l'air en amont de la combustion, l'apport d'oxygène est réalisé via un oxyde métallique, qui est alternativement oxydé à l'air et réduit par le combustible, lequel est directement converti en CO2 et H2O.


Schéma de la combustion en boucle chimique



La réduction de l'oxyde métallique permet de libérer de l'oxygène servant à la combustion dont les produits que sont le CO2 et la vapeur d'eau sont séparés par condensation de l'eau. L'oxydant est alors régénéré dans un lit fluidisé par de l'air afin de retourner dans le réacteur de réduction. Ce procédé permet d'obtenir les avantages d'une combustion conventionnelle tout en évitant le procédé de séparation de l'oxygène de l'azote dans l'air.



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Auteurs : DECASTRO Jonathan et HERAULT Johann