Le réacteur à lit fluidisé

Une série d’expériences a été réalisée dans un réacteur à lit fluidisé à l’échelle laboratoire chauffé à l’aide d’un système à induction. Les résultats sont présentés et interprétés dans la section 6.2.2. Dans un système à induction, un courant électrique alternatif traverse une bobine électrique qui devient alors la source de courant électrique induit dans la pièce métallique à chauffer placée au centre (voir Figure 3-2). Le courant induit est appelé courant de Foucault. Les pertes d'hystérésis ne se produisent que dans les matériaux magnétiques (tels que l'acier, le nickel...) mais les courants de Foucault se produisent dans tous les matériaux conducteurs (par exemple, cuivre, aluminium ...) placés dans un champ magnétique variable. Ainsi, l’effet Joule va provoquer une production de chaleur. D’après la loi d’Ohm, avec R1 la résistance de la bobine, R2 la résistance équivalente à la

pièce de métal et I1 le courant traversant la bobine, la puissance convertie en chaleur est I12R2 (effet

Joule) et l’efficacité électrique est ηe= R2

R1+R2. Cependant, le courant est induit à la surface de la

pièce de métal mais son intensité diminue dans le cœur de la pièce.[53]

Selon la loi de Faraday, dès qu’un courant circule à travers un conducteur, un champ magnétique est produit autour du conducteur et si le courant change de direction, la direction du champ magnétique change également. Par conséquent, si le courant est alternatif, le champ magnétique est aussi alternatif et il est maximal lorsque le courant est maximal. Si la forme de conducteur est une longue bobine circulaire, le champ magnétique est encore plus fort parce que les effets du courant circulant dans les différentes spires s’ajoutent les uns aux autres. De plus, l'augmentation

de l'intensité du champ magnétique augmente la quantité de chaleur produite et le taux de chauffe de la pièce de métal dépend de la fréquence du courant induit, de son intensité, de la chaleur spécifique du matériel, de sa perméabilité au champ magnétique et à sa résistance.[54]

Figure 3-2 : Schéma d’un chauffage à induction. La pièce de métal à chauffer est un bleu au centre de la bobine représentée en orange dans laquelle circule un courant alternatif. Les lignes noires représentent le champ magnétique induit.[55]

Le chauffage à induction possède plusieurs avantages le rendant intéressant pour ce type d’expériences[56] qui sont :

- Fournir des températures très élevées (jusqu’à 1600°C) ;

- Chauffer localement des zones adjacentes à la bobine inductrice ; - Pas de contact donc pas de risque de contamination du matériel chauffé ; - Taux de chauffe rapide et contrôlable.

Le montage expérimental est illustré par la Figure 3-3. Sur ce réacteur, à l’intérieur du tube en alumine (matériau choisi pour sa résistance à des températures très élevées) dix barres en inox (supportant des températures s’élevant jusqu’à environ 1400°C) sont fixées sur une plaque et autour du tube en alumine, une bobine en cuivre est placée. Le courant électrique de très haute fréquence

circule dans la bobine induisant un champ électromagnétique dont la direction varie rapidement. Les barres en inox conduisent alors le courant induit par ce champ magnétique. De ce fait, l’effet Joule provoque une libération de chaleur à l’intérieur du tube en alumine. Avant de placer le tube d’alumine (de diamètre intérieur de 7,6 cm, d’épaisseur de 0,32 cm et de hauteur de 30,48 cm), environ 3 g de sable de silice2 sont placés à l’entrée en bas du réacteur agissant comme distributeur afin que le débit de gaz entrant soit homogène dans le solide. Ensuite, le tube en alumine est placé autour des barres en inox et environ 45 g de sable sont placés dans le tube atteignant la base des barres. Finalement, le solide (phosphogypse ou mélange phosphogypse et charbon) est placé au- dessus du sable dans le tube. Le débit d’azote issu du bas du réacteur (voir Figure 3-3) permet la fluidisation du solide. Comme les particules de sable sont de plus gros diamètre et plus lourdes que les particules de phosphogypse et de charbon (≈ 250 µm de diamètre pour les particules de sable et ≈ 20 µm de diamètre pour les particules de phosphogypse), elles ne sont pas fluidisées et restent stables permettant une bonne distribution du gaz pour la fluidisation du solide. Pour ces expériences, un débit de 1200 ml/min a été utilisé pour fluidiser le solide dans le régime bouillonnant (la définition est donnée en ANNEXE F) à température ambiante (20-25 °C) correspondant à une vitesse de gaz Ug=4 mm/s dans le tube d’alumine. En revanche, en augmentant

la température du lit jusqu’à 1100°C, avec le même débit, la vitesse du gaz résultante serait presque trois fois plus élevée et le solide risquait d’être entraîné à l’extérieur du réacteur. Pour éviter cela, comme la puissance de chauffe du chauffage à induction est directement gérée par l’ordinateur qui communique par l’intermédiaire du logiciel LabView avec le régulateur de température et le débit des gaz en entrée, le débit de gaz a été automatiquement contrôlé pour que la vitesse Ug reste à ≈ 4

mm/s durant toute la durée du test. Cependant, lorsque l’O2 a été injecté dans le réacteur à 1100°C,

le débit d’azote a dû être ajusté manuellement en conséquence afin que la somme des deux débits gazeux n’augmente pas la vitesse totale de fluidisation à plus de 4 mm/s. Le gaz résultant des réactions entre le solide et O2 est collecté en haut du réacteur. La sortie peut alors être connectée

soit directement à l’appareil analysant la composition du gaz (FTIR) soit à un sac d’échantillonnage. La conduite reliée au FTIR peut être chauffée pour éviter la condensation du gaz entre le réacteur et l’appareil. Dépendamment de la concentration attendue pour chaque

2 _ρ

composé chimique, le gaz sortant doit être dilué avec de l’azote avant d’atteindre le FTIR afin de correspondre aux gammes de calibration de l’appareil. Le taux de chauffe de ce réacteur est très rapide, il peut varier entre 0 et 200°C/s.

Figure 3-3 : Réacteur à lit fluidisé chauffé par induction (conçu par Mohammad Latifi) utilisé pour les expériences de décomposition du phosphogypse