Experimental and numerical investigation of electrostatic effects in gas-solid fluidized beds

par Youssef Nasro-Allah

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Rodney O. Fox et de Renaud Ansart.

Le président du jury était Olivier Simonin.

Le jury était composé de Rodney O. Fox, Renaud Ansart, Poupak Mehrani, Hans Kuipers, Enrica Masi, Ali Özel, Jan Baeyens.

Les rapporteurs étaient Poupak Mehrani, Hans Kuipers.

  • Titre traduit

    Etude éxpérimentale et numérique des effets de charge éléctrostatique dans les lits fluidisés gaz-solides


  • Résumé

    Les lits fluidisés gaz-solides sont largement utilisés dans les procédés industriels pour l'énergie tels que la combustion, la polymérisation, les récepteurs solaires, la gazéification de la biomasse et le raffinage du pétrole. Dans ces procédés, les forces électrostatiques ont été généralement négligées. Cependant, le phénomène présente des problèmes majeurs tels que l'encrassement des murs, la défluidisation, les étincelles, les explosions de poussière et parfois des incendies. A l'échelle moléculaire, le contact entre deux particules génère un transfert d'électrons/ions, induisant une charge sur chaque particule. Par conséquent, le gaz environnant transporte un champ électrique, ce qui produit une force supplémentaire connue sous le nom de force de Lorentz. Le phénomène dépend des propriétés des matériaux et les conditions opératoires. Plusieurs travaux dans la littérature ont étudié l'effet de chaque paramètre. Cependant, il y a un manque d'étude combinant à la fois des mesures expérimentales et la modélisation théorique avec des simulations numériques. La présente étude s'inscrit donc dans ce contexte. Elle fait partie de la Chaire d'attractivité BIREM (BIological, REacting, Multiphase flows) attribuée au Professeur Rodney Fox, soutenue financièrement par l'Université de Toulouse, dans le cadre du programme de recherche IDEX. Le projet est hébergé par la Fédération de recherche FERMaT. Dans ce travail, des expériences ont été réalisées sur différentes distributions granulométriques, différents matériaux et différentes conditions opératoires. Le dispositif expérimental, conçu et réalisé lors de cette thèse, consiste en une colonne en plexiglas de 1 m de hauteur et 0,1 m de diamètre. La technique de mesure utilisée est une coupe de Faraday reliée à un électromètre. Les résultats montrent deux catégories de particules : les "dropped" particules qui tombent immédiatement après l'ouverture de la vanne et les "wall" particules qui collent à la paroi. Les résultats ne montrent aucun effet de l'humidité relative sur la vitesse minimale de fluidization (Umf). L'évolution de la charge nette du lit en fonction du temps de fluidisation a montré une tendance exponentielle qui atteint une valeur d'équilibre pour les deux catégories. Les "wall" ont été chargées de 250 à 450 fois plus que les "dropped". La charge diminue en augmentant l'humidité relative. Les petites particules ont présenté une charge positive alors que toutes les autres distributions étaient chargées négativement. La charge d'équilibre des "dropped" n'a pas été influencée par l'augmentation de la vitesse alors que le temps d'équilibre a été légèrement augmenté. La charge d'équilibre des "wall" a été significativement augmentée. D'autre part, le travail numérique a modélisé la force de Lorentz dans une approche eulérienne. Les simulations ont été réalisées avec NEPTUNE_CFD. Les murs étaient supposés mis à la terre. Le modèle a été validé sur plusieurs cas de test. Par la suite, un modèle de tribélectrification (génération de charge) a été développé dans une approche eulérienne en s'inspirant d'analogie avec des modèles dans la littérature. Les conditions aux limites ont été élaborées en utilisant des hypothèses moins restrictives. Une estimation des temps caractéristiques de génération et de diffusion des charges a été réalisée, montrant que l'échelle de temps est très élevée (plusieurs jours) et ne correspond pas aux résultats expérimentaux (15 à 20 min). Un coefficient correcteur a été proposé pour être en accord aux résultats expérimentaux. De plus, des simulations numériques sur un lit fluidisé ont été réalisées. Le régime permanent a été considéré atteint et la charge d'équilibre a été imposée sur les particules. Les simulations visaient à comparer le cas sans et avec charge. L'effet de la charge sur les propriétés d'écoulement a été mis en évidence. Ces résultats ont mis en évidence l'effet crucial de l'électrostatique sur la suspension fluidisée gaz-particules.


  • Résumé

    Gas-solid fluidized beds are widely used in industrial processes for energy such as chemical looping combustion, catalytic polymerization, solar receiver, biomass gasification and petroleum refinery. In all these processes, electrostatic forces were usually neglected. In polyolefin industry, the phenomena of electrostatic charges presents a major issues including wall fouling. At a molecular scale, the contact between two particles generates a transfer of electrons/ions, inducing a charge on each particle. As a result, the surrounding gas carries an electric field, resulting in an additional force to the momentum equation known as Lorentz force. The phenomenon depend on many parameters, including materials properties and operating conditions. Several works in literature studied the effect of each parameter. However, there is a lack of research projects which combine both experimental study and theoretical modelling with numerical simulation. Thus, this study falls within the context. It is a part of the Attractivity Chair BIREM (BIological, REacting, Multiphase flows) attributed to Professor Rodney Fox, financially supported by the University of Toulouse, in the framework of the IDEX research program. The project is hosted by the research federation FERMaT. The study aims to combine both experimental study in a lab-scale pilot and the numerical modelling in order to represent the electrostatic force in CFD code through the Euler-Euler formalism. In this work, experiments were performed on different particles size distributions, different materials and different operating conditions. The experimental setup, designed and built during the PhD thesis, consisted of a 1 m height and 0.1 m inner diameter plexiglass column. The measuring technique used for charge is a Faraday cup connected to an electrometer. Results shows two categories of particles: dropped particles that falls immediately after opening the valve and wall particles that stick to the wall. Results show no effect of relative humidity on minimum fluidization velocity (Umf). The evolution of the net charge versus fluidization time showed an exponential trend that reached an equilibrium value for both categories. Wall particles were charged 250 to 450 times than dropped ones. The net charge was decreased by increasing relative humidity. Small particles showed a positive charge whereas all other PSDs were negatively charged. The equilibrium charge of dropped particles did not show significant changes when increasing gas velocity whereas the time needed to reach equilibrium was slightly increased. Wall particles equilibrium charge was significantly increased. On the other hand, the numerical work built an electrostatic model for the Lorentz force in an Eulerian approach. Simulations were carried out with a software called NEPTUNE_CFD. The walls were assumed to be grounded. The model was tested with several test cases. After that, a tribocharging model was developed to take into account the charge generation and transfer. The model was inspired from previous works and transposed into an Eulerian approach. The wall boundary conditions were developed in this study by using less restrictive hypothesis. An estimation of the characteristic times of both charge generation and diffusion was performed, showing that the timescale is very high (several days) and does not match with experimental findings (15 to 20 min). A corrective coefficient was proposed to match with experimental results. Moreover, numerical simulations on a fluidized bed with the same dimensions as the experimental pilot were carried out. In these simulations, the permanent regime was considered. The equilibrium charge was prescribed on the particles. Simulations aimed to compare the no-charge case and the charged case. The effect of the charge on the flow properties were highlighted. These results pointed out the crucial effect of the electrostatic on the gas-particle fluidized suspension.



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