Matériel et méthodes

4.1.1 Solide utilisé

Le lit de solides modèles choisis pour étudier l’écoulement dans le lit à jet est constitué de billes de verre de 3 mm ayant une densité d’environ 2500 kg/m³. Il s’agit du solide utilisé lors d’une étude antérieure réalisée dans un lit à jet cylindro-conique (Larachi et al., 2003) afin de permettre une éventuelle comparaison entre les résultats obtenus dans les deux types de lit à jet.

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Figure 4-1 : Dispositif expérimental pour l'étude de l'écoulement solide en lit à jet conique composé d’une arrivée d’air (1), d’un contrôleur de pression (PI1), de deux vannes (V1 et V2), d’une plaque à orifice (FI1), du lit à jet conique (2), d’un manomètre en U (PI2), de neuf détecteurs à scintillation (3) et d’un système d’acquisition (4)

4.1.2 Dispositif expérimental

Le dispositif expérimental utilisé dans cette partie du projet est présenté schématiquement sur la Figure 4-1. Il est composé d’un lit à jet conique dans lequel de l’air est injecté. Le contacteur est composé d’une base inférieure en acier inoxydable (diamètre d’injection Di de 2,8 cm, angle du cône α de 60°, hauteur du cône Hb de 51 cm) et d’une partie cylindrique supérieure en acier inoxydable également (diamètre du cylindre Dc de 62 cm et hauteur du cylindre Hc de 72 cm). La partie cylindrique supérieure du lit n’influence pas l’écoulement car le solide demeure essentiellement dans la partie conique inférieure. Le débit d’air à l’entrée du lit est régulé manuellement à l’aide d’un contrôleur de pression (0-100 psig) et d’une vanne, et en lisant la perte de charge à travers une plaque à orifice (orifice de 0,022 m, tuyaux de 0,041 m de diamètre) sur un manomètre en U à l’eau. La perte de charge dans le lit est

mesurée à l’aide d’un second manomètre en U à l’eau. Neuf détecteurs à scintillation (cristal en NaI) sont installés autour de la partie conique du lit et sont reliés par des câbles coaxiaux à un système d’acquisition composé d’un amplificateur et d’un compteur haute-vitesse pour chaque détecteur et d’un ordinateur enregistrant le nombre de comptes mesurés par chaque détecteur à chaque pas de temps.

4.1.3 Technique RPT

Le traceur utilisé est une bille de verre dans laquelle un trou a été percé pour introduire une certaine masse de scandium. Ce trou a été par la suite scellé pour éviter tout risque de fuite de matériel radioactif. Le scandium (⁴⁶Sc) est activé pendant environ 3h par irradiation dans le réacteur Slowpoke de Polytechnique Montréal afin d’atteindre une activité radioactive d’environ 2,6 MBq. La durée de demi-vie du scandium ⁴⁶Sc est d’environ 83 jours, l’activité radioactive du traceur peut donc être considérée comme constante durant une expérience de 6h.

Le nombre de détecteurs est de neuf. Ils sont placés autour de la partie conique du lit et répartis de manière à couvrir de manière homogène la zone du cône qui sera remplie de billes (anneau). Ils sont orientés horizontalement ou de sorte que leur face soit parallèle à la paroi du lit, mais le vecteur normal de leur face pointe toujours vers l’axe de symétrie du cône. La position et l’orientation des détecteurs sont mesurées précisément (1 mm) avant chaque expérience.

Le temps d’échantillonnage est de 5 ms et permet d’avoir une bonne résolution de mesure même dans les zones où le traceur bouge vite. Les expériences ont une durée d’1 h pendant laquelle le traceur réalise plus de 500 cycles (jet-fontaine-anneau) et des moyennes des caractéristiques de l’écoulement du solide par cycle peuvent donc être déduites. La validité du choix de la durée des expériences est investiguée dans la section 4.2.1 en mesurant l’évolution de l’écart-type de la moyenne des mesures en fonction du nombre de cycles du solide considérés pour calculer la moyenne.

Le système RPT est calibré en enregistrant les comptes pour chaque détecteur dans le cas de plus de 100 points dont la position est précisément connue, et ceci avec le lit en mouvement dans les conditions de l’expérience pour laquelle la calibration est faite.

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L’algorithme utilisé pour la reconstruction de la position du traceur est celui qui est disponible dans le groupe de recherche du Professeur Jamal Chaouki (Polytechnique Montréal) et dont les détails ont déjà été publiés dans le passé (Doucet, Bertrand, & Chaouki, 2008).

Figure 4-2 : Erreur absolue moyenne calculée à partir de tests de points fixes dans les différentes régions du lit à jet conique (les barres d'erreur représentent l'écart-type de l'erreur absolue)

L’erreur sur la mesure de la position est estimée par des expériences avec des points fixes. Le traceur est placé à des positions précises et différentes des points de calibration. La position obtenue par reconstruction à partir des comptes enregistrés par les détecteurs est comparée à la position réelle; la différence donne l’erreur. Les erreurs absolues moyennes calculées lors de ces expériences dans les différentes régions du lit à jet conique sont présentées à la Figure 4-2. L’erreur absolue moyenne sur les positions radiale et verticale est de l’ordre de 1 cm dans le jet et l’anneau, et de l’ordre de 2,5 à 4 cm dans la fontaine. Ceci démontre que l’erreur est significativement plus faible pour la position dans l’anneau et le jet que dans la fontaine. Ceci s’explique par la différence de densité de solide entre ces régions; en effet, dans la fontaine, la densité est faible par rapport à l’anneau et l’atténuation des rayons gamma par le solide est donc très faible, ce qui rend difficile la mesure exacte de la position du traceur.

Étant donnée la nature statistique de l’émission de rayons gamma par le traceur, les données reconstruites de la position possèdent un certain bruit. Afin de l’atténuer, un filtre de type Savitzky-Golay est appliqué pour chaque composante de la position. Il s’agit d’une interpolation au sens des moindres carrés par un polynôme de degré 3 sur une étendue de 101 points.

Finalement, en profitant de la symétrie cylindrique du dispositif et afin d’augmenter l’occurrence en chaque position, les coordonnées cartésiennes de la position sont transformées en coordonnées cylindriques, et les résultats sont analysés dans le plan r-z.

4.1.4 Conditions expérimentales

Le même lit à jet conique est utilisé pour toutes les expériences. Les conditions opératoires dont l’effet sur la dynamique du solide dans le lit est étudié sont la hauteur de lit stagnant (H0) et la vitesse d’injection relative, c’est-à-dire la vitesse du gaz dans la tubulure d’injection (U) divisée par la vitesse minimale de jaillissement (Ums). Celles-ci sont représentées à la Figure 4-3. Les combinaisons de valeurs étudiées sont présentées à la Figure 4-4. Les valeurs des vitesses relatives U/Ums ont été choisies afin qu’elles soient comparables en fonction de H0.

Cependant, le paramètre opératoire contrôlé est U, ce qui explique qu’il y a une certaine variation des valeurs de U/Ums en fonction de H0.

La valeur de Ums a été mesurée expérimentalement pour les conditions expérimentales investiguées.

Figure 4-3 : Conditions opératoires dont l'influence sur l'écoulement solide dans le lit à jet conique est étudiée

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Figure 4-4 : Conditions opératoires étudiées pour la caractérisation de l’écoulement solide en lit à jet conique