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Le cyclone : un nouveau réacteur chimique solairegaz-solide Application à la mise en oeuvre en continu de

la pyrolyse flash de sciure de boisJ. Lede, F. Verzaro, J. Villermaux

To cite this version:J. Lede, F. Verzaro, J. Villermaux. Le cyclone : un nouveau réacteur chimique solaire gaz-solide Application à la mise en oeuvre en continu de la pyrolyse flash de sciure de bois. Re-vue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1980, 15 (3), pp.535-543.�10.1051/rphysap:01980001503053500�. �jpa-00244758�

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Le cyclone : un nouveau réacteur chimique solaire gaz-solideApplication à la mise en oeuvre en continu de la pyrolyse flash de sciure de bois

J. Lede, F. Verzaro et J. Villermaux

Laboratoire des Sciences du Génie Chimique, CNRS-ENSIC, 1, rue Grandville, 54042 Nancy Cedex, France

(Reçu le 31 août 1979, révisé le 17 décembre 1979, accepté le 18 décembre 1979)

Résumé. 2014 Le cyclone, bien connu comme séparateur centrifuge peut être valablement utilisé comme réacteurchimique gaz-solide. Des premières expériences faites sur un cyclone du type standard chauffé à 1 323 K au foyerd’un four à image soulignent la bonne efficacité du transfert de chaleur entre ses parois et le gaz qui le traverse.On montre, dans un deuxième temps, que les informations recueillies à la suite de la mise en 0153uvre en continude la pyrolyse flash de sciure de bois à 1 143 K sont tout à fait en accord avec celles issues d’autres expérienceseffectuées dans des conditions fort différentes. Cette réaction ainsi que toute autre réaction gaz-solide endother-mique pourraient être mises en 0153uvre à une plus large échelle dans ce nouveau type de réacteur grâce à l’utilisationde l’énergie solaire concentrée.

Abstract. 2014 Cyclones, known as centrifugal separators, can be also used as gas-solid chemical reactors. Preli-minary experiments made on a cyclone of a conventional type heated at 1323 K at the focus of an image furnaceshow the good efficiency of heat transfer between the walls and the gas. We have then studied the continuousflash pyrolysis of wood sawdust at 1 143 K. The results obtained agree with others issued from experiments madein quite different conditions. Such a reaction or any other endothermic gas-solid reaction could be carried outon a large scale in such a new type of reactor by use of concentrated solar energy.

Revue Phys. Appl.15 (1980) 535-543 MARS 1980,

Classification

Physics A bstracts44.90

1. Position du problème et objectifs. - 1.1 LECYCLONE : RÉACTEUR GAZ-SOLIDE. - Dans un article

récent, A. Vialaron [1] soulignait l’intérêt portéactuellement à la Chimie solaire (stockage chimique,conversion en vecteurs chimiques, préparation deproduits). Le développement pratique de ces appli-cations implique la réalisation de nouveaux types deréacteurs dans le cadre d’un génie de la réaction

chimique solaire [2]. Ces réacteurs doivent en parti-culier permettre la mise en oeuvre de réactions endo-thermiques à haute température et la réalisation dechocs thermiques (chauffage brutal des réactifs et/ourefroidissement très rapide des produits).

Considérons les réactions gaz-solide consommable.Les réacteurs industriels peuvent être classés en troisgrandes catégories : les réacteurs à lits empilés, lesréacteurs à lits fluidisés ou suspendus, les réacteursà lits transportés. Dans cette dernière catégorie, unemention particulière peut être accordée aux réacteursassurant une mise en rotation de l’écoulement [3].Le dispositif le plus connu est le cyclone dont lafonction habituelle est de séparer des fines particules(solides ou liquides) contenues dans un fluide. Dansla configuration habituelle (Fig. 1) le fluide entraînant

les particules pénètre tangentiellement dans la partiecylindrique et prend un mouvement de vitesse dirigévers le bas. Les particules sont projetées par la forcecentrifuge sur les parois du cylindre avant de se

réunir dans la partie conique du cyclone. Dans cettezone, le fluide inverse sa trajectoire et ressort del’enceinte par sa partie supérieure. De nombreuxdétails concernant le fonctionnement des séparateurscentrifuges sont rassemblés dans les références [4, 5].Les cyclones, couramment utilisés en tant que

séparateurs dans les scieries, cimenteries, etc., sont

également mis en oeuvre dans certaines opérations àhaute température [6, 7, 8]. Ces dernières applicationssuggèrent l’utilisation de ces dispositifs en tant queréacteurs chimiques [2, 9, 10], certains travaux ayantmontré leurs excellentes performances en ce quiconcerne le transfert de matière [11] et de chaleur[12, 13], ainsi qpe le contact gaz-solide à des tempsde séjour relativement courts.

C’est dans cet esprit qu’il nous est apparu intéres-sant d’étudier les possibilités d’utilisation du cyclonepour la mise en oeuvre de réactions gaz-solide à hautetempérature grâce à l’énergie solaire concentrée. Denombreuses réactions susceptibles d’avoir un impact

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01980001503053500

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Fig. 1. - Représentation schématique d’un séparateur centrifuge(cyclone standard : trajectoires représentant l’écoulement du fluideet dimensions types).

[Schematic representation of a centrifugal separator’(conventionalcyclone) : flow pattern of fluid and typical dimensions.]

industriel peuvent être envisagées dans un tel sys-tème. Nous choisirons à titre d’exemple la réactionde pyrolyse flash du bois.

1. 2 LA PYROLYSE FLASH DU BOIS. - Parmi les diffé-rents procédés envisageables pour la valorisation

énergétique des déchets ligno-cellulosiques, la pyro-lyse flash en présence ou non de vapeur d’eau sembletrès intéressante. Il est possible en effet de transformerla matière végétale en un mélange gazeux riche enhydrogène, monoxyde de carbone et hydrocarbureslégers de grand intérêt chimique et énergétique [14].Le rendement en gaz de l’opération est d’autant

meilleur qué la température est plus élevée (52 % à973 K ; 62 % à 1 273 K en bois sec) et que les parti-cules solides sont portées brutalement à cette tempé-rature, le passage prolongé à des températures plusbasses favorisant en effet la formation de goudrons.Envisageons alors un cyclone dont les parois sontchauffées par le rayonnement solaire concentré. Les

grains de bois transportés par un gaz porteur sontdès leur entrée dans le réacteur plongés au sein d’unmilieu à haute température et projetés à grandevitesse sur les parois chaudes. Ils subissent ainsi unepyrolyse flash en continu. Dans le même temps, le

cyclone joue son rôle de séparateur vis-à-vis des

cendres qui peuvent être ainsi récupérées dans sa

partie inférieure.

2. Aspect expérimental. - Les cyclones utiliséssont du type standard en ce sens que leurs dimensionsrelatives correspondent aux normes habituellementpréconisées [4] et précisées sur la figure 1.

Trois types d’expériences ont été menées :

2022 Expériences de Distribution des Temps de Séjour(DTS). ,

2022 Expériences de transfert de chaleur.2022 Expériences de pyrolyse flash proprement dite.

Dans le premier cas le cyclone, en altuglas, présenteun diamètre de 12,5 cm.Dans les deux autres cas le cyclone, en acier inox,

présente un diamètre de 1,68 cm.

2.1 EXPÉRIENCES DE DTS. - Ces expériencesdoivent permettre, par des mesures globales, de

proposer un modèle d’écoulement dans le réacteur.De l’air circule dans le cyclone en régime perma-

nent et à température ambiante. A un instant donnéune injection impulsion d’un traceur (hydrogène) estintroduite à l’aide d’une vanne à boucle à l’entréedu cyclone, dans des conditions telles que l’écoule-ment général ne soit pas perturbé. Un détecteurcatharométrique mesure en sortie les variations deconcentration de traceur. Au moyen d’un traitementsur ordinateur, on recherche un modèle d’écoulementreprésentatif de la courbe de réponse à l’impulsionde traceur. Ces expériences ont été effectuées à plu-sieurs débits. La référence [20] rassemble les détailsexpérimentaux relatifs à ces expériences.

2. 2 EXPÉRIENCES DE TRANSFERT DE CHALEUR. "-Le cyclone. - Réalisé en acier inox, il présente undiamètre de 1,68 cm, un volume de 9,64 cm3 et unesurface intérieure de 32 cm2.

Le chauffage au four à image. - Afin de préparerdes campagnes ultérieures au four solaire, nous

avons effectué les premiers essais au four à image,qui permet de reproduire au laboratoire des condi-tions proches de celles régnant dans un concentrateursolaire habituel [15, 16].Une lampe au xénon horizontale de 4 kW se trouve

au foyer objet d’un miroir elliptique très enveloppant(lanterne de cinéma Cinemeccanica X 6 500 H). Lefaisceau lumineux est intercepté par un second miroirelliptique (diamètre 415 mm) argenté face avant etdont le foyer objet est confondu avec le foyer imagedu miroir primaire. L’image de la pointe de la cathodese forme au second foyer du second miroir avec ungrandissement voisin de 1.Dans les premiers essais, le cyclone est simplement

disposé à l’emplacement du foyer. La canalisationd’entrée est refroidie par un serpentin parcouru parde l’eau froide afin d’éviter un important préchauffagedu gaz et de réaliser ainsi les conditions des expé-

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Fig. 2. - Photographie du réacteur cyclone au foyer du four àimage.

[Photograph of cyclone reactor at the focus of image fumace.]

riences de pyrolyse proprement dites dans lesquellesun choc thermique initial est requis (Fig. 2). La température de paroi (uniforme dans la section

cylindrique) est mesurée par pyrométrie à disparitionde filament. La température du gaz est mesurée àl’entrée et à la sortie du cyclone (entrée du noyaucentral) avec un thermocouple chromel alumel.Des expériences ont été faites avec le gaz porteur

circulant seul à différents débits. Les temps de pas-sage correspondant sont compris entre 0,1 et 0,4 s.

2.3 EXPÉRIENCES DE PYROLYSE. - Le cyclone ainsique le mode de chauffage sont les mêmes que ceuxdécrits dans la section précédente.

Alimentation en bois. 2013Les expériences sont menéesavec de la sciure de pin Douglas dont les grains ontun diamètre compris entre 0,140 et 0,200 mm. Cesgrains sont utilisés tels quels sans humidification

supplémentaire.De nombreux procédés existent pour transporter

un solide [17]. Les propriétés physiques de la sciurefont que la vis sans fin serait probablement le meilleursystème. Cependant pour une étude fondamentale àfaible débit en solide, nous avons utilisé une techniques’inspirant d’une méthode mise au point par Dau-vergne [18]. Le gaz porteur arrache par abrasionéolienne les grains situés à la surface d’un lit de sciuredont le niveau est maintenu constant par une ali-mentation continue et régulière (vibreur) (Fig. 3).Dans les premiers essais que nous décrivons ici, le

gaz porteur est de l’argon.Bilans de matière. - Ils sont établis à partir des

pesées suivantes :

2022 charge de bois avant et après expérience,2022 cendres récupérées à la base du cyclone,2022 condensables (goudrons et eau) déposés dans la

canalisation aval et dans un piège à glace.Les gaz traversent une ampoule de 134 cm3 que

l’on isole à un instant donné et dans laquelle se font

Fig. 3. - Schéma de principe de l’appareillage permettant la

pyrolyse flash continue de sciure de bois dans un réacteur cyclonesitué au foyer d’un four à image.

[Schematic diagram of apparatus for continuous flash pyrolysisof wood sawdust in a cyclone reactor located at the focus of animage fumace.]

les prélèvements pour analyses. Celles-ci sont effec-tuées par chromatographie : CO et H 2 sont analyséssur tamis moléculaire (détection : catharomètre) ;CH4, C2H4 et C2H2 sur tamis moléculaire (détec-tion : ionisation de flamme) ; C02 sur PORAPAK Q(détection : catharomètre).

3. Résultats. - 3.1 MODÈLE D’ÉCOULEMENT. -

Les expériences de Distribution des Temps de Séjourpermettent de proposer un modèle d’écoulement dugaz seul dans un cyclone standard. A l’intérieur dudomaine exploré pour les critères de Reynolds d’en-trée Reo (1 270 à 2 400) le cyclone peut être assimiléà une zone en écoulement laminaire permanentsuivie d’une zone mélangée en partie court-circuitée(Fig. 4).

Fig. 4. - Modèle d’écoulement dans un cyclone.

[Flow pattem in a cyclone.]

La figure 5 montre que le volume V1 de la zonelaminaire varie linéairement en fonction de Re20selon la relation :

VT représentant le volume total du cyclone.La figure 6 montre que la fraction court-circuitée

1 - a varie linéairement en fonction de Reo

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Fig. 5. - Variations du volume de la zone laminaire (Vl) enfonction du critère de Reynolds d’entrée (Reo).

[Variations of laminar zone volume (Vl) against inlet Reynoldsnumber (Re0).]

Fig. 6. - Variations de la fraction court-circuitée (1 - a) en

fonction du critère de Reynolds d’entrée (Reo).

[Variations of by pass fraction (1 - a) against inlet Reynoldsnumber.]

3.2 EFFICACITÉ DU TRANSFERT DE CHALEUR. -

Remarques. - Utilisés en tant que séparateurs, les

cyclones doivent être en mesure de séparer des par-ticules très fines. A cet effet, leurs performances sontla plupart du temps estimées en étudiant l’évolutiondu diamètre de coupure (diamètre des particulescollectées à 50 %) en fonction de différents para-mètres (vitesse d’entrée du gaz, dimensions du cyclone,etc.). Les auteurs choisissant généralement des dia-mètres de coupure très petits, les vitesses d’entrée dugaz doivent être très grandes. A titre d’exemple,pour un cyclone de 15,2 cm de diamètre [13], unevitesse d’entrée du gaz de 15 m/s correspond à undiamètre de coupure de 15 03BCm. L’écoulement dans

la canalisation d’entrée est franchement turbulent.Dans les expériences de transfert de chaleur effectuéespar Szekelly et coll. [13], le critère de Reynolds d’entréeest ainsi compris entre 20 000 et 50 000.Dans nos conditions, le diamètre des grains étant

relativement plus important, il est inutile d’opéreravec de telles vitesses. Il est donc intéressant d’évaluerl’efficacité du transfert de chaleur dans ces conditionsde fonctionnement moins sévères.

Résultats expérimentaux. - Ils ont été obtenusavec de l’argon circulant seul à différents débits

auxquels correspondent des vitesses d’entrée légère-ment supérieures à la vitesse d’entrée théorique cal-culable [4] à partir d’un diamètre de coupure égal àla dimension des grains de bois utilisés dans l’étudechimique. ,

Dans l’expérience type proposée, la températurede la paroi est restée sensiblement constante (1 323 K)quel que soit le débit.

Les données expérimentales figurent dans le

tableau I.

Dépouillement global. - Afin de comparer les per-formances de ce cylone avec celles déduites des

expériences de Szekelly et coll. [13] nous avons

calculé les critères de Reynolds (Reo) et de Nusselt(Nusz) en choisissant, comme ces auteurs, le dia-mètre d’entrée (do = 0,35 cm) comme longueur carac-téristique, viscosité et conductibilité thermique étantcalculées aux températures d’entrée To :

Dans le domaine de températures explorées onutilisera les relations linéaires approchées suivantes :

À(To)=(O,013 To+0,35) x 10-5 (cal . cm-1 s-1 K-1)

~(T0) = (0,059 T0+4,9) x 10-5 (poises).

AT est une température moyenne arithmétiquedéfinie ainsi :

La représentation Loge Nusz en fonction de Loge Reoest linéaire (Fig. 7). Un dépouillement par la méthodedes moindres carrés permet de proposer la relation :

La comparaison de cette relation avec celle pro-posée par Szekelly et coll. (Nu,, = 0,042 Re0,80)montre que le transfert de chaleur est moins efficacedans nos conditions. Cette constatation pourraits’expliquer du fait que l’écoulement à l’entrée est

laminaire (664 Re0 1 539) alors qu’il est fran-chement turbulent (20 000 Re0 50 000) dans lesexpériences de ces auteurs.

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Tableau 1.

Fig. 7. - Efficacité du transfert de chaleur dans un réacteur

cyclone : variations du critère de Nusselt en fonction du critère deReynolds.

[Heat transfer efficiency in a cyclone reactor : variations of Nusseltnumber against Reynolds number.]

Quoi qu’il en soit, la définition du critère de Nusseltproposée nous paraît trop arbitraire. Reprenons lecalcul de façon plus rigoureuse en postulant succes-sivement deux modèles d’écoulement dans le cyclone.- Le cyclone est assimilé à un réacteur tubulaire.

Calculons le coefficient de transfert Ac correspondantà une tranche d’épaisseur dx du cylindre équivalent(diamètre égal au diamètre hydraulique DH du cy-clone). La longueur caractéristique choisie pour lecalcul du nombre de Nusselt (Nue) est DH.

Le bilan de chaleur dans une tranche d’épaisseur dxs’écrit :

avec

Après intégration sur la longueur le du cylindreéquivalent (le = ST/03C0DH) il vient :

Compte tenu des dimensions du cyclone, on peutcalculer :

Les valeurs de NUe ainsi calculées figurent sur letableau I.En conservant la même définition du critère de

Reynolds (Reo), la figure 7 montre que la représen-tation Loge NUe en fonction de Loge Reo est égale-

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ment linéaire. Dans ces conditions, il est possible deproposer la relation :

Nuc = 0,017 Reg,82 . (4)

Cette relation est à rapprocher de la corrélationgénéralement admise pour représenter le transfert dechaleur dans un réacteur tubulaire en écoulement

turbulent, à savoir :

soit avec Pr (argon) = 0,67 :

Les relations (4) et (5) sont fort comparables. Lesconditions d’écoulement dans le cyclone étant lami-naires, ces résultats montrent que l’efficacité dutransfert de chaleur est supérieure à celle à laquelleon pourrait s’attendre dans un réacteur tubulaire enrégime laminaire (Nuc = 3,66).- Le cyclone est assimilé à un mélangeur parfait.

Le bilan de chaleur s’écrit simplement :

Définissons un critère de Nusselt NuA :

DA est le diamètre de la sphère ayant même volume[19] que le cyclone

Â(T) est la conductibilité thermique du fluide calculéeà la température de sortie 7g supposée uniforme danstout le mélangeur

Dans notre cas particulier DA = 2,64 cm.Les valeurs de 03BB(Ts) peuvent être calculées avec unebonne approximation pour 1 023 TS(K) 1 323

grâce à la relation :

Les valeurs de NuA ainsi calculées figurent dans letableau I. La figure 7 permet d’établir la relation :

David et coll. (19) ont récemment proposé unecorrélation permettant de prévoir l’efficacité dutransfert de chaleur dans un réacteur auto-agité parquatre jets gazeux issus de quatre tuyères :

ou avec

Ret est le critère de Reynolds calculé à la sortied’une tuyère.

Assimilons le cyclone à un réacteur parfaitementagité par une seule tuyère (la canalisation d’entrée).Si, toutes autres choses restant identiques, on égalel’énergie introduite dans le cyclone et celle introduitedans un réacteur à quatre tuyères, on montre que :

(7) s’écrit alors : Nu = 12 + 0,042 Reo.Les valeurs ainsi calculées de Nu sont supérieures

à celles correspondant à nos expériences.La figure 7 reproduit graphiquement ces résultats

et montre que le transfert de chaleur dans un cycloneest, dans nos conditions, supérieur à celui auquelon peut s’attendre dans un réacteur tubulaire, enrégime laminaire et inférieur à celui correspondantà un réacteur parfaitement agité. Ces observationsvont dans le sens des résultats acquis à l’issue desexpériences de DTS, indiquant l’existence d’une zonelaminaire suivie d’une zone mélangée.

Dépouillement basé sur les expériences de DTS. -On peut utiliser les résultats des expériences de DTSet calculer pour chaque point expérimental une valeurthéorique de la température de sortie en faisant appelà des valeurs ou corrélations connues pour repré-senter le transfert de chaleur dans la zone laminaireet dans la zone mélangée. A cet effet, assimilons lazone laminaire à un réacteur tubulaire dont le dia-mètre Dl est égal au diamètre hydraulique

Le gaz traverse cette zone avec une températured’entrée To, avec un débit massique 6m et en ressortà une température Ts. Une fraction a du débit totaltraverse la zone mélangée et en ressort à une tem-pérature T"s. La température de sortie T,(th) est

celle résultant du mélange d’un débit aQm de gazà TS avec un débit (1 - a) 6m de gaz à T’. Il pourraêtre intéressant de comparer 7g(th) aux valeurs

expérimentales.Calcul de T,’. - Désignant par kl le coefficient de

transfert, le bilan de chaleur dans une tranche d’épais-seur dx du cylindre équivalent s’écrit :

hl 03C0D1(Tp - T) dx = Qm Cp dT .

Dl, diamètre hydraulique, peut se calculer pourchaque valeur de Qm à partir de la valeur de V,correspondante (1).En posant

il vient :

7rNu 1 . d T

541

Pour 550 T (K) 680, 03BB(T) peut être obtenuavec une bonne approximation à partir de la relation :

Après intégration et avec

Nu = 3,66 on peut calculer Ts connaissant 6m et Togrâce à la relation :

11 étant la longueur du cylindre équivalent

Calcul de T.". - Désignant par h2 le coefficient detransfert, le bilan de chaleur en zone mélangée s’écrit :

Posons :

Nous calculerons NU2 en utilisant la relation pro-posée par David et coll. [19] et permettant de prévoirl’efficacité du transfert de chaleur dans un réacteur

auto-agité par jets gazeux (7). Nous assimilerons lazone mélangée à un réacteur agité par une seule tuyèreayant pour diamètre le diamètre hydraulique de lazone cylindrique laminaire. Il vient alors :

Re’0 est le critère de Reynolds défini sur le diamètre D1,pour un débit 03B1Qm et une température T:. Commeces auteurs, nous prendrons D2 égal au diamètre dela sphère ayant même volume que la zone agitée :

Les valeurs de la conductibilité thermique et de laviscosité de l’argon seront calculées à partir desrelations :

1023 T (K) 1323 :

03BB = (0,006 2 T + 4,31) 10-5 (cal cm -1 s-1 K-1),550 T (K) 680 :

~ = (0,005 9 T + 21) 10-5 (poises).

a pouvant être calculé pour chaque valeur de 6m (2),il est possible de calculer T"s, pour chaque pointexpérimental grâce à la relation suivante :

Calcul de Ts(th). - La température T.(th) des gazen sortie du cyclone est la température de mélangeainsi définie :

7,(th) = 03B1T"s + (1 - a) T’s.

Résultats. - Les valeurs de Ts, TS et Ts(th) figurentdans le tableau 1.

3.3 RÉSULTATS OBTENUS SUR LE PLAN CHIMIQUE. -

Le tableau II donne la composition des gaz recueillispour une expérience type effectuée durant 10 min avecun débit d’argon de 0,039 g/s et un débit de sciurede bois de 0,002 2 g/s.

Tableau II.

Le volume de gaz dégagé est égal à 0,6 NI pargramme de bois et le taux de gazéification vaut :

X = Masse de gaz dégagé

= 0,758 = 0 583Masse de bois décomposé 1:3 ’

X = 58,3 % .

La masse de gaz dégagé (0,758 g) est calculée àpartir de la composition.

Il a été possible de récupérer à la fin de l’expérience :0,16 g de cendres et 0,196 g de matières condensables.

Fines particules de charbon non séparées, aérosols,etc. sont responsables des 0,186 g qui ont échappéaux mesures.

4. Discussion. - Les résultats rapportés dans cetarticle correspondent à des premiers essais de labo-ratoire destinés à démontrer la faisabilité du procédéproposé.- Pour une température de paroi de 1 323 K,

d’entrée de 388 K et un débit de 0,039 g/s, les expé-riences de transfert de chaleur indiquent par extra-polation une température de gaz de 1 143 K. La

présence du solide ne modifie pas sensiblement cettevaleur étant donné le faible débit de sciure utilisé [13].Des expériences de pyrolyse flash effectuées en dis-continu en faisant tomber de la sciure dans un fourà 1 173 K ont donné les résultats suivants [14] :

Taux de gazéification : 62,5 %.Volume de gaz : 0,6 Nl/g de bois.

542

On constate un bon accord entre ces valeurs et cellesobtenues dans le cyclone, si ce n’est une quantité deC02 plus importante et de C2H2 plus faible.- Le dépouillement des expériences de DTS a

montré que le cyclone pouvait être assimilé à unréacteur tubulaire eri écoulement laminaire suivi d’unmélangeur. Cette constatation semble confirmée parles expériences de transfert de chaleur. Le tableau 1indique que les valeurs de Ts sont relativement cons-tantes autour d’une valeur moyenne de 580 K. D’autre

part, la confrontation des valeurs TS(exp) et Ts(th)montre un très bon accord pour les fortes valeurs de

Reo, l’écart devenant plus fort aux faibles valeurs deReo. Ces divergences peuvent s’expliquer du fait quele modèle d’écoulement a été déterminé pour1 270 Re0 2 400, alors que les expériences detransfert de chaleur ont été poussées jusqu’à desvaleurs beaucoup plus faibles (570); en outre, tousces calculs théoriques ont été effectués en supposantune température de paroi constante et égale à 1 323 K,or les dimensions relatives de la tache focale et du

cyclone font que la température de la base coniquedu cyclone (légèrement décentrée) était inférieure à1 323 K ; enfin il faut remarquer que la corrélationutilisée pour calculer Nu2 est valable pour des réac-teurs parfaitement auto-agités par 4 tuyères émettant4 jets turbulents, or nous l’avons utilisée pour unezone supposée agitée par une seule tuyère fonctionnanten régime laminaire, il est donc probable que lesvaleurs Nu2 calculées sont trop fortes, ce qui expliqueles valeurs TS trop élevées aux basses valeurs de Reo.- Le modèle proposé montre qu’il conviendrait de

rechercher des géométries s’écartant légèrement desnormes standards et telles que la zone laminaire

(faible efficacité du transfert de chaleur), ainsi quel’importance du court-circuit soient minimisées.- Quoi qu’il en soit le cyclone dans ses normes

standards apparaît très efficace pour le chauffage d’ungaz. Pour l’expérience n° 1, on peut en effet calculerune vitesse de chauffage supérieure à 8 000 K/s.

Parallèlement à ces remarques, nos premières expé-riences suggèrent un certain nombre d’observationsutiles pour une mise en oeuvre future plus rationnelledu procédé.- Des cendres ont tendance à rester accrochées

sur les parois intérieures du cyclone, tendant à le

colmater et à perturber l’écoulement. L’état de surfacedoit intervenir ici d’une manière significative. Il

conviendrait d’examiner ce point lorsqu’on utiliserades débits plus importants.- Il faut travailler à des températures plus élevées

pour améliorer le taux de gazéification. Il est possibled’y parvenir en utilisant un four (solaire ou à image)plus puissant et/ou en disposant le cyclone dans unecavité absorbante vis-à-vis du rayonnement concentré.Ce dispositif est d’ailleurs indispensable si l’on veutobtenir des rendements satisfaisants. Une autre solu-tion consisterait à faire pénétrer le rayonnement àtravers le noyau central dans le cyclone jouant lui-

même le rôle de cavité absorbante. Les grains seraientalors chauffés à la fois par transfert de chaleur sur les

parois et par absorption directe du rayonnement. Ilconviendrait dans ce cas de rechercher une dispositiondifférente de sortie des gaz.- Le système d’alimentation en poudre utilisé ne

peut permettre que de faibles débits de solide. C’estici un avantage car la température du gaz n’est passensiblement affectée par la présence du solide. Maisce mode d’alimentation ne pourrait être employé àl’échelle productive impliquant de forts débits desolide. L’utilisation d’une vis sans fin serait probable-ment la meilleure solution.- Les gaz sortent du cyclone à haute température.

Il conviendrait de récupérer cette chaleur perdue afinde préchauffer les réactifs. Toutefois ce préchauffagene doit pas dépasser 423 K pour éviter une décompo-sition prématurée du bois. Une solution consisteraità récupérer cette chaleur pour vaporiser de l’eau dontla vapeur portée vers 373 K constituerait le gaz vecteur.Il est en effet hors de question d’utiliser un gaz vecteurtel que l’argon dans une application pratique réelle.La vapeur d’eau serait probablement le gaz vecteurle plus indiqué, d’autant que la pyrolyse flash du boisen présence d’eau conduit à des taux de gazéificationaméliorés (77 % à 1 273 K au lieu de 62 % en boissec [14]). La présence d’eau pourrait égalementaméliorer la quantité de CO et H2 par réaction secon-daire sur les cendres et les goudrons. La présence d’unéchangeur de chaleur efficace en sortie du cyclonepermettrait enfin d’éviter une décomposition des

produits formés à haute température comme CO ouC2H2-En conclusion, cette étude préliminaire montre que

le réacteur cyclone est un dispositif intéressant pourla mise en oeuvre de réactions gaz solide à court tempsde séjour nécessitant des transferts de matière et dechaleur efficaces. Toutefois, dans un fonctionnementen tant que réacteur, la charge de solide peut êtrequalitativement et quantitativement différente decelle qu’on considère habituellement quand le cyclonefonctionne en séparateur. Il faut donc établir de nou-velles règles de conception et d’extrapolation. C’estnotamment dans cette direction que se poursuiventles études en cours.

Nomenclature

Cp Chaleur spécifique à pression constante del’argon.

do Diamètre de canalisation d’entrée d’un

cyclone (diamètre hydraulique pour une

canalisation à section rectangulaire).D i Diamètre hydraulique de la zone cylindrique

(= 4 VI/SI).D2 Diamètre hydraulique de la sphère ayant

même volume que la zone mélangée.DA Diamètre de la sphère ayant même volume

que le cyclone.

543

DH Diamètre hydraulique (= 4 VT/ST).h Coefficient de transfert thermique en zone

cylindrique.h2 Coefficient de transfert en zone mélangée.hA Coefficient de transfert de chaleur (modèle

global : mélangeur).hc Coefficient de transfert de chaleur (modèle

global : cylindre).il Longueur du cylindre équivalent.1. Longueur du cylindre équivalent (modèle

global).Nul Critère de Nusselt en zone cylindrique.Nu2 Critère de Nusselt en zone mélangée.NuA Critère de Nusselt (modèle : mélangeur).Nuc Critère de Nusselt (modèle : cylindre).Nusz Critère de Nusselt calculé comme en réfé-

rence [13].Pr Critère de Prandlt.

Qm Débit massique.Re Critère de Reynolds.Reo Critère de Reynolds d’entrée.Re’ 0 Critère de Reynolds en sortie de zone cylin-

drique.

Ret Critère de Reynolds de tuyère.S, Surface intérieure de la zone cylindrique.ST Surface totale interne du cycloneT Température (d K).To Température d’entrée.Tp Température de paroi.T,(exp) Température du gaz en sortie du cyclone

(expérimental).TS(th) Température du gaz en sortie du cyclone

(théorique).T., Température du gaz en sortie de la zone

cylindrique.T." Température du gaz en sortie de la zone

mélangée.Vi Volume interne de la zone cylindrique.VT Volume interne total du cyclone.x Variable d’intégration.X Taux de gazéification.a Fraction du débit passant en zone mélangée.03BB(T) Conductibilité thermique à une tempéra-

ture T.

ll(T) Viscosité dynamique à une température T.

Bibliographie

[1] VIALARON, A., Entropie 85 (1979) 21.[2] VILLERMAUX, J., Entropie 85 (1979) 25.[3] Fiche Technique GEFGN, Rev. Géné. Therm. Fr. 162 (1975)

501.

[4] THEODORE, L., BUONICORE, A. J., Industrial Air PollutionControl Equipment for Particulates (CRC Press Inc) 1976.

[5] STRAUSS, W., Industrial Gas Cleaning, 2nd Edition (PergamonPress) 1975.

[6] VOL’F KOVICH, S. I., IONASS, A. A., MEL’NIKOV, E. B., REMEN,R. E., SIDEL’KOVSKII, L. N., TROYANKIN, Yu. V., SHU-RYGIN, A. P., YAGODINA, T. N., Int. Chem. Eng. 2 (1962)98.

[7] REH, L., Chem. Ing. Tech. 49 (1977) 786.[8] Encyclopedia of Chemical Processing and Design. Part 6 :

Calcination Equipment to Catalysis. M. Dekker Inc.

(1978).[9] JACOBS, J., GUNTHER, R., Symposium on « High Temperature

Chemical Reaction Engineering ». I. Chem. E. Sympo-sium Series N° 43, Harrogate (1975).

[10] SZEKELLY, J., EVANS, J. W., JOHN, H. Y., Gas Solid Reactions(Academic Press) 1976.

[11] BEENACKERS, A. A. C. M., VAN SWAAIJ, N. P. M., Proc. Eur.Chem. Eng. Symp. VI 260-270, Heidelberg (1976).

[12] KLUCOVSKY, P., HASPRA, J., DUKYI, J., Int. Chem. Eng. 2(1962) 279.

[13] SZEKELLY, J., CARR, R., Chem. Eng. Sci. 21 (1966) 1119.[14] LEDE, J., BERTHELLOT, P., VILLERMAUX, J., ROLIN, A., FRAN-

ÇOIS, H., DEGLISE, X., Revue Phys. Appl. Numéro spécialEnergie Solaire.

[15] FOEX, M., Journal des Recherches du CNRS 65 (1963) 631.[16] CHAUDRON, G., TROMBE, F., Les Hautes Températures et leurs

utilisations en physique et en chimie (Masson) 1973, Tome I,276-318.

[17] Chem. Eng. Deskbook. Materials Handling. Oct. (1978).[18] DAUVERGNE, J. P., Thèse Nancy (1965).[19] DAVID, R., HOUZELOT, J. L., VILLEIUKAUX, J., IIIrd Eur.

Conf. on Mixing. York (UK) (1979).[20] VERZARO, F., Rapport Interne. LSGC ENSIC Nancy (1979).