Brevet FR2676374A1 — publié le 19921120

La présente invention concerne d'une façon générale le domaine des traitements mettant en jeu un lit granulaire stabilisé magnétiquement Depuis de nombreuses années, on utilise des lits granulaires notamment pour effectuer le dépoussiérage de gaz. Constitués de grains collecteurs, les lits granulaires sont des filtres à haute efficacité: en traversant le lit, les microparticules (aérosols) transportées par l'air sont captées par les particules du lit. Dans le cas d'un lit granulaire fluidisé, la masse de particules filtrantes est mise en suspension par le gaz à filtrer. Et une fluidisation homogène est une condition nécessaire au bon déroulement de la filtration. Mais en pratique, la fluidisation d'un solide par un gaz s'accompagne d'une formation de bulles au sein du lit (phénomène de bullage). Il peut se créer également des passages préférentiels à travers lesquels le gaz s'écoule (phénomène de renardage). Dans ces conditions de fonctionnement, une grande partie du gaz à filtrer traverse le lit sous forme de bulles et s'écoule le long des passages préférentiels, avec un contact limité avec les particules du lit. Par ailleurs, le frottement des particules filtrantes entre elles peut provoquer un réentraînement dans le gaz de microparticules précédemment collectées. En conséquence, l'efficacité d'un lit granulaire fluidisé est limitée. Pour éliminer les phénomènes indésirables cidessus, on a récemment développé des lits fluidisés stabilisés magnétiquement, dans lesquels le lit granulaire est constitué de particules magnétiques soumises à un champ magnétique créé par un électroaimant. Cette technique connue permet d'obtenir une fluidisation exempte de bulles pour des vitesses de gaz très supérieures à la vitesse minimale de fluidisation. On se référera en particulier à l'article "An experimental study of fluidized beds with screen packing and applied magnetic field", R.D. COLBERG, Y.A. LUI, POWDER TECHNOLOGY, No. 56, 1988, pages 279-292, qui expose les avantages propres à cette technique. Cependant, dans la plupart des systèmes connus à lit fluidisé stabilisé magnétiquement, on ne peut réaliser un traitement continu. Ainsi, lorsque les particules du lit sont saturées en microparticules collectées, il est nécessaire d'arrêter 11 installation pour le renouvellement du lit granulaire. L'invention vise à proposer un procédé et une installation de traitement du type précité qui mettent en jeu des moyens extrêmement simples et efficaces pour assurer un renouvellement des particules du lit, le cas échéant en continu, sans avoir à interrompre le traitement. Elle concerne à cet effet, selon un premier aspect, un procédé de traitement continu mettant en jeu un fluide dans un lit granulaire stabilisé magnétiquement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) mise en circulation, en continu, du fluide dans le lit granulaire, (b) soutirage dans le lit granulaire, à l'aide d'un tube immergé dans le lit jusqu'à une profondeur déterminée, et par un phénomène d'amplification de vitesse, d'une quantité contrôlée de particules du lit ayant participé au traitement, et (c) introduction dans le lit de particules fraîches à un débit massique voisin du débit massique de soutirage. L'invention concerne également, selon un deuxième aspect, une installation de traitement en continu d'un fluide dans un lit granulaire stabilisé magnétiquement, caractérisée en ce qu'elle comprend: une colonne contenant un lit granulaire de particules magnétisables et alimenté à sa base par le fluide, des moyens magnétiques de stabilisation du lit, des moyens de soutirage par amplification de vitesse comprenant un tube dont une extrémité est immergée dans le lit granulaire et dont l'autre extrémité communique avec un compartiment de séparation, et des moyens pour introduire dans la colonne des particules fraîches. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue d'ensemble schématique d'une installation-pilote de filtration à lit fluidisé stabilisé magnétiquement selon la présente invention, la figure 2 est une vue schématique d'une partie de l'installation de la figure 1, et les figures 3 et 4 sont des diagrammes illustrant le comportement de la partie représentée sur la figure 2. On va décrire ci-dessous une installation mettant en jeu un gaz. L'invention s'applique plus généralement à toute sorte de fluide. En référence tout d'abord à la figure 1, on désigne par 10 un système d'alimentation d'air qui est connecté directement sur un réseau sous pression d'air chargé en microparticules à éliminer. Les microparticules peuvent être de taille et de nature diverses. L'installation comporte, en aval du système 10 et en succession, un groupe de trois rotamètres 50 connectés en parallèle, ayant de préférence des débits maximaux différents et par exemple égaux respectivement à 4, 16 et 40 Nm3.h-l, et un manomètre 60, par exemple du type à pression différentielle. Les éléments décrits ci-dessus peuvent bien entendu largement varier en fonction de l'application. L'unité à lit fluidisé comprend une chambre de prétranquillisation 70 alimentée par la sortie des rotamètres. Au-dessus de la chambre 70 est prévu un support 80 pour la colonne de filtration. La colonne 85 est en l'espèce un cylindre d'axe vertical, d'un diamètre de 9 cm et d'une hauteur de 50 cm. Elle contient un lit granulaire 90 constitué dans le présent exemple de billes d'acier d'un diamètre compris entre 0,7 mm et 1 mm. La colonne est reliée à un manomètre 100 pour la mesure de la perte de charge dans le lit. Plus généralement, on utilise avantageusement des particules magnétisables d'un diamètre de l'ordre de 0,3 à 2,5 mm. Enfin deux aimants permanents 110, de forme préférentiellement parallélépipédique, sont prévus de part et d'autre de la colonne 85 pour effectuer une stabilisation magnétique du lit granulaire, en y appliquant un champ magnétique dont les lignes de champ sont essentiellement horizontales, c'est-à-dire transversales à la direction d'écoulement de l'air à filtrer, comme décrit notamment dans la publication citée en introduction. De préférence et comme illustré sur la figure 1, pour obtenir un champ magnétique dont la direction et l'intensité soient aussi homogènes que possibles dans toute la zone du lit, la hauteur des aimants est nettement supérieure à celle du lit, tandis que ceux-ci sont disposés symétriquement de part et d'autre de la colonne 85. On assure ainsi, par l'absence de distortions de champ, un comportement uniforme des particules du lit dans toute son étendue. On a par ailleurs indiqué schématiquement en 120 des moyens mécaniques permettant de faire varier l'écartement des aimants 110, en vue de faire varier l'intensité du champ magnétique dans le lit. Bien entendu, dans le cas où les problèmes de consommation énergétique, d'échauffement et d'encombrement ne sont pas critiques, on peut remplacer les deux aimants permanents par des électro-aimants. Selon un aspect essentiel de l'invention, il est prévu des moyens pour renouveler, sans interruption de l'opération de filtration, les particules du lit granulaire. Les inventeurs ont constaté de façon surprenante qu'en immergeant l'extrémité inférieure d'un tube, ouvert à ses deux extrémités, dans le lit granulaire stabilisé magnétiquement comme décrit ci-dessus, on observait un phénomène d'amplification de vitesse induisant sous certaines conditions un transport pneumatique (ou hydraulique selon le type de fluide utilisé) des particules vers le haut du tube, et ceci avec un débit massique des particules pouvant être aisément contrôlé. Maintenant en référence à la figure 2, on a représenté la colonne 85, entourée des deux aimants permanents 110. Un dispositif 200 de soutirage des particules usées ou inactives du lit granulaire, par amplification de vitesse, comprend pour l'essentiel un tube 210 comportant une première branche 210a s'étendant verticalement dans la colonne 85 à partir de l'extrémité supérieure de cette dernière, jusqu'à une distance prédéterminée du fond du lit granulaire. L'autre extrémité du tube 210 débouche en 210b, vers le bas, dans un compartiment de séparation fermé 220 destiné à collecter les particules usées ou inactives transportées par le tube 210. Un conduit 230 associé à une vanne 240 telle qu'une vanne-pointeau sert à l'évacuation du gaz de transport Cette vanne permet de régler le débit gazeux autorisé à s'échapper du compartiment de séparation 220, et par là la vitesse du gaz dans le tube 210 et le débit de soutirage des particules du lit granulaire. On trouve en outre, à l'aplomb de la colonne 85, un réservoir 250 de particules fraîches. Un conduit 260 équipé d'une vanne de réglage 270 permet d'ajuster le débit massique de particules fraîches apportées au lit fluidisé pour qu'il corresponde approximativement au débit des particules usées ou inactives soutirées. L'installation décrite ci-dessus permet d'effectuer un traitement d'un fluide, en particulier d'un flux gazeux, en continu. Plus précisément, le renouvellement des particules du lit granulaire est effectué sans interruption de la circulation du fluide, le soutirage des particules usées ou inactives s'effectuant par le phénomène spontané d'amplification de vitesse précité à l'aide de la section de tube 210a, comme on va l'expliquer en détail dans la suite. On peut noter ici que le renouvellement des particules du lit peut s'effectuer soit en continu, auquel cas les vannes 240 et 270 sont ouvertes, avec un réglage approprié, en permanence, soit de façon périodique, avec ouverture et fermeture alternées desdites vannes.Mais dans tous les cas, aucune interruption du traitement en cours n'est requise Les expériences ont été conduites par les inventeurs avec diverses valeurs du champ magnétique. On a constaté qu'un phénomène d'amplification de vitesse optimal était obtenu avec des intensités de l'ordre de 2000 à 7000 A.m-1, et préférentiellement voisines de 3600 A.m-t pour le tube d'évacuation 210 utilisé, valeurs qui par ailleurs sont des valeurs donnant une stabilisation magnétique du lit convenable. Pour pouvoir observer visuellement le comportement du lit et le phénomène de soutirage, on a utilisé une colonne et un lit transparents. Le tube 210 peut être constitué par tout matériau approprié. Les essais ont permis de démontrer que le diamètre optimal du tube 210 croissait avec l'intensité du champ magnétique appliqué. Par exemple, pour un champ de 7000 A.m-1, l'effet d'amplification de vitesse optimal est obtenu avec un tube d'un diamètre d'environ 8 mm. Pour un champ de 3600 A.m-l, le diamètre optimal est d'environ 4 mm. Ces valeurs de diamètre varieront bien entendu avec le type et la taille des particules du lit granulaire, les valeurs ci-dessus convenant pour les billes d'acier mentionnées plus haut. La position préférée du tube s'est avérée être une position verticale au centre de la colonne, avec l'extrémité inférieure du tube espacée du fond d'une distance de l'ordre de 1 cm. Essais On a effectué une filtration en lit stabilisé magnétiquement et fluidisé par un flux gazeux, avec soutirage par amplification de vitesse, dans les conditions opératoires suivantes: * champ magnétique : H = 3600 A.m-t * hauteur du lit : Z0 = 7 cm * tube en verre d'un diamètre intérieur dt = 4 mm et d'une épaisseur de paroi e = 1 mm * profondeur du tube dans le lit : h = 6 cm. Avant chaque essai, on a fluidisé le lit granulaire pendant une minute en phase de bullage et en l'absence de champ magnétique, puis on a amené progressivement le débit d'air à filtrer à zéro. On a ensuite mis en place les aimants. On a représenté sur la figure 3 le débit massique Qb des billes du lit granulaire et la vitesse Ut du flux gazeux dans le tube en fonction de la vitesse Ul d'ascension du flux gazeux dans le lit. La vitesse dans le tube a été mesurée à l'aide d'un débitmètre à bulles de savon, choisi parce qu'il occasionne un minimum de perte de charge. On observe que le soutirage des particules commence avant la mise en fluidisation du lit (qui se produit à partir d'une vitesse Umf de l'ordre de 1 m/s), pour une vitesse dans le lit voisine de 0,5 m/s. En pratique, l'allure de la courbe du débit Qb est similaire à la courbe de la perte de charge obtenue classiquement dans un lit fluidisé. C'est ainsi qu'une fois que la vitesse minimale de fluidisation Umf est atteinte, le débit de soutirage reste essentiellement constant. Comme le montre également la figure 3, le soutirage s'amorce lorsque la vitesse de l'air dans le tube atteint environ 12 m/s, et cette vitesse reste par la suite essentiellement constante. Cette valeur d'environ 12 m/s correspond à la vitesse limite de chute des billes telle qu'on a pu la vérifier par la formule théorique de calcul en régime de Newton. La figure 4 représente la perte de charge 5Pl dans le lit et la perte de charge 5Pt dans le tube en fonction de la vitesse du flux gazeux dans le lit. On observe que la perte de charge dans le tube est inférieure à la perte de charge dans le lit quelle que soit cette vitesse. On observe également que le rapport R = bPl/6Pt est approximativement constant. Il est égal à environ 1,7 sur toute l'étendue du domaine pour les conditions opératoires précitées. Cela signifie que deux points du lit granulaire situés à une même altitude, l'un proche du tube et l'autre éloigné du tube, sont à des pressions différentes. On peut expliquer ce phénomène par la présence d'une zone d'appel située au-dessous de l'extrémité inférieure du tube, dans laquelle se produit une migration des billes. Le déplacement des billes dans cette région induit une perte de charge radiale entre la zone proche du tube et les zones éloignées du tube, perte de charge égale à la différence des pressions entre le lit et le tube. D'autres essais, effectués avec des valeurs de champ magnétique plus faibles, ont mis en avant le même comportement, avec toutefois un rapport R dont la valeur décroît avec celle du champ magnétique. Ainsi, pour un champ H = 3000 A.m-t, on obtient un rapport R d'environ 1,4. On peut observer ici qu'avant fluidisation du lit granulaire, la perte de charge dans celui-ci change peu lors de variations du champ magnétique. En outre, le rapport R, comme on vient de l'indiquer, diminue avec la valeur du champ magnétique, ce qui signifie que la différence entre les pressions dans le lit et dans le tube devient moins importante lorsque le champ diminue. Ceci permet d'expliquer que, en l'absence de champ magnétique, aucun soutirage n'est possible car la différence de pression précitée, qui est à l'origine du phénomène de transport dans le tube, devient alors nulle. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite cidessus et représentée sur les dessins, ni à la seule application de filtration. Ainsi l'invention peut être utilisée pour tout type de traitement mettant en jeu un fluide traversant un lit granulaire stabilisé magnétiquement, avec dans le cas d'un gaz une fluidisation du lit. Il peut s'agir notamment, outre la filtration, de l'épuration d'un fluide chargé en contaminants, par réaction chimique ou physique entre ces contaminants et le matériau des particules du lit granulaire, ou encore du traitement chimique des particules du lit granulaire à l'aide d'un réactif contenu dans le fluide ou constitué par le fluide, ou bien encore de la catalyse de réactions ayant lieu au sein de ces fluides par le matériau ou un revêtement des particules du lit. Par ailleurs, une installation de traitement industrielle pourra largement varier par rapport à l'installation pilote décrite en référence aux figures 1 et 2. Ainsi, pour accroître la capacité de traitement, on peut prévoir une pluralité de colonnes à lit granulaire connectées en parallèles et comportant chacune leurs propres moyens de renouvellement des particules ayant participé au traitement. Par ailleurs, l'installation pourra comprendre, entre le compartiment de séparation 220 et le réservoir 250, des moyens de nettoyage ou de recyclage des particules. En outre, pour des lits granulaires de section importante, on peut utiliser une pluralité de tubes de soutirage répartis dans la section de celui-ci. On peut noter ici un avantage de la présente invention, selon lequel le soutirage des particules ou billes s'effectuant en fond de lit, ce sont les particules ou billes les plus "usées" ou inactivées qui sont soutirées. L'amenée de particules fraîches s'effectuant en haut du lit, les particules suivent donc globalement un parcours descendant, à contre-courant du fluide, optimal pour le traitement REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement continu mettant en jeu un fluide dans un lit granulaire stabilisé magnétiquement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) mise en circulation, en continu, du fluide dans le lit granulaire (90), (b) soutirage dans le lit granulaire, à l'aide d'un tube (210a) immergé dans le lit jusqu'à une profondeur déterminée, et par un phénomène d'amplification de vitesse, d'une quantité contrôlée de particules du lit ayant participé au traitement, et (c) introduction dans le lit de particules fraîches à un débit massique voisin du débit massique de soutirage 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes (b) et (c) sont également effectuées en continu. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, appliqué à un traitement choisi dans le groupe comprenant la filtration d'un fluide chargé en microparticules, l'épuration chimique ou physique d'un fluide chargé en contaminants, le traitement chimique des particules du lit granulaire à l'aide d'un réactif contenu dans le fluide ou constitué par le fluide, la catalyse par le lit granulaire d'une réaction au sein du fluide. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide est un gaz qui fluidise le lit granulaire. 5. Installation de traitement en continu d'un fluide dans un lit granulaire stabilisé magnétiquement, caractérisée en ce qu'elle comprend: une colonne (85) contenant un lit granulaire (90) de particules magnétisables et alimenté à sa base par le fluide, des moyens magnétiques (110) de stabilisation du lit, des moyens de soutirage par amplification de vitesse comprenant un tube (210) dont une extrémité (210a) est immergée dans le lit granulaire et dont l'autre extrémité (210b) communique avec un compartiment de séparation, et des moyens (250, 260, 270) pour introduire dans la colonne des particules fraîches. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les particules du lit granulaire (90) sont des particules magnétisables d'un diamètre de l'ordre de 0,3 à 2,5 mm. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens magnétiques engendrent un champ magnétique d'une valeur de l'ordre de 2000 à 7000 A.m-1.