Étude expérimentale et modélisation de réacteurs à lit fluidisé de type Wurster couplés à des jets de plasma à pression atmosphérique pour le traitement de surface de particules

Experimental Study and CFD Modeling of Fluidized-Bed Reactors Combined with Atmospheric-Pressure Plasma Jets for Surface Treatment of Particles

• Auteur / Autrice : Seyedshayan Tabibian
• Direction : Jérôme Pulpytel, Khashayar Saleh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie chimique
• Date : Soutenance le 24/07/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interfaces et systèmes électrochimiques (Paris ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Michèle Salmain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Guyon, Farzaneh Arefi-Khonsari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed Yousfi, David Duday

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à lit fluidisé

Énergie de surface

Jets de plasma

Mouillabilité

Polypropylène

Mots clés libres

Modélisation CFD

Plasma à pression atmosphérique

Lit-fluidisé Wurster

Poudre polymérique

Énergie de surface

Décontamination de poivre

Bactérie sporulée

Mouillabilité du plastique

CFD modeling

Atmospheric pressure plasma

Wurster Fluidized-bed

Polymer powder treatment

Surface energy

Peppercorn decontamination

Spore-forming bacteria

Wettability of plastic

Résumé

Les particules de polypropylène sont utilisées à diverses fins. Cependant, les bonnes propriétés mécaniques du PP sont contrebalancées par une faible mouillabilité. La mouillabilité des particules de PP a donc été améliorée par un traitement par jet de plasma à la pression atmosphérique dans un réacteur à lit fluidisé Wurster. L'énergie libre de surface des particules de PP déterminée par la méthode de Zisman a augmenté de 30,7 mN/m à 38,6 mN/m après 120 secondes de traitement. Les résultats XPS ont montré une augmentation de 5% de la concentration atomique en oxygène à la surface des particules traitées. Un modèle turbulent k-ε a été utilisé pour déterminer le champ de vitesse, de pression et de température de la phase gazeuse à l'intérieur du réacteur. De plus, un modèle CFD multiphasique eulérien-eulérien a été ajouté pour déterminer la dynamique des particules à l'intérieur du réacteur et les résultats ont été comparés à des mesures rapides d'imagerie, de thermocouple et d'anémométrie. Ces études sont très importantes pour contrôler l'homogénéité des traitements des particules, déterminer le temps de traitement effectif moyen de chaque particule et éviter une surchauffe du PP thermosensible. Nous avons également étudié la possibilité d’utiliser des plasmas hors d’équilibre pour décontaminer les particules de poivre en lit fluidisé. En effet, ce plasma est caractérisé par la formation d'espèces réactives de l'oxygène et de l'azote, des UV et des températures élevées; ce dernier est évidemment un problème pour la médecine plasmatique, mais pas pour traiter des objets non vivants, spécialement ceux contenant des microorganismes très résistants tels que les spores.

Polypropylene particles are used for various purposes, however, the good mechanical properties of PP are counterbalanced by a poor wettability. The wettability of PP particles was therefore improved by an atmospheric pressure blown-arc air plasma jet treatment in a new designed homemade Wurster fluidized bed reactor. This reactor, was used to treat 200 g of particles per batch. The surface free energy of PP particles determined by the Zisman method showed an increase from 30.7 mN/m to 38.6 mN/m after 120s of treatment. XPS results showed a 5% increase of the atomic concentration of oxygen on the surface of the treated particles. In order to describe the process, a 2D axisymmetric non-isothermal k-ε turbulent model was used to determine the velocity field, pressure and temperature profile of the gas phase inside the reactor. Furthermore an Eulerian-Eulerian multiphasic CFD model was added to determine the dynamics of the particles inside the reactor, and the results were compared with fast imaging, thermocouple and anemometry measurements. These investigations are very important to monitor the homogeneity of the particle treatments, to determine the average effective treatment time for each particle and to avoid overheating of thermally sensitive PP. We also studied the possibility to use non-equilibrium plasmas to decontaminate peppercorn particles in a fluidized bed. Indeed, this plasma is characterized by the formation of Reactive Oxygen and Nitrogen Species, UV and high temperature; the latter is obviously a problem for plasma medicine, but is not a problem to treat non-living objects, specially containing highly resilient microorganisms such as spores.