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TD GP4 : FELTZINGER Sophie – SAINTE BEUVE Laetitia – 2011
HOURRIER Romain – HERVOUET Valentin – ESPINASSE Samuel
TP GP4 : Opérations
Unitaires Mécaniques
Processus de création de procédés et de
produits sous contraintes
Démarche :
1. Choix du sujet
Lors du choix du sujet, nous avons été intrigués par le phénomène de
Fluidisation. En effet, même si nous avions déjà eu quelques connaissances sur le
sujet dans notre cours, c’est le domaine (opération unitaire) le moins connu entre
ceux proposés. C’est pour cette raison que nous avons souhaité travailler sur une
application concernant cette opération unitaire.
De plus, nous avons choisi le domaine Loisirs/ Décoration/ Amusement afin de
pouvoir laisser libre cours à notre imagination.
2. Créativité
Nous avons tout d’abord commencé par rechercher des informations sur la
fluidisation afin de comprendre ce que cette méthode peut apporter et ce qu’elle
nous permet de faire. Nous nous sommes rendu compte que la fluidisation est un
moyen qui permet de séparer des particules. (Phénomène expliqué ultérieurement)
•
Cheminement des idées :
Nous avons tout d’abord listé toutes les idées qui nous passaient par la tête.
Salle de jeux : Mise en
suspension de confettis pour
établir un décor particulier
Peinture murale colorée:
Permet de mettre en
suspension les particules de
peinture pour peindre un
décors original facilement
Cadre avec sable blanc : lors
de la mise en suspension, des
variateurs de couleurs
éclairent les bulles de sable
Cadre mouvant grâce à des
manettes : enclanche le
phénomène pour mettre en
mouvement les particules
Cadre rempli de sable :
création de formes
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3. Veille Technologique (originalité/ antériorité et enrichissement des idées)
« L'éléphanteau respire... souffle... et envoie, grâce à
sa trompe, des douzaines de papillons dans les airs
dans une gerbe de couleurs. Tout le monde joue en
même temps. Quand les papillons s'envolent de la
trompe d'Elefun, il faut en attraper le plus possible,
avec son filet à papillons ! »
« Abracadabra, tout disparaîtra ! Depuis de nombreuses générations, les enfants
sont fascinés par le tableau magique. Pourquoi ? Parce que les jolis motifs dessinés
avec le crayon ou avec les tampons disparaissent en un tour de main en déplaçant le
curseur ou simplement en secouant le cadre. Le
jeu peut recommencer encore et encore !
Fantastique pour des heures d’amusement ! »
« Voici un tableau qui ne vous lassera pas. Chaque
rotation du cadre crée un nouveau paysage fascinant.
La combinaison des trois éléments air, eau et sable
saura vous apaiser et faire voyager votre esprit. »
« Bulldo’, c’est une cloison vivante pour séparer et animer vos
pièces d’habitation, hall d’accueil, salles d’attente, bureaux,
magasins, etc.…Ecran acoustique, le mouvement discret des
bulles vous apportera relaxation et détente. »
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HOURRIER Romain – HERVOUET Valentin – ESPINASSE Samuel
Choix du concept
Notre concept repose sur l’envie de changement et de créer son propre univers
dans sa maison ou appartement. Notre idée consiste à créer un cadre de décoration
intérieur à poser contre un mur.
I.
Principe physique de notre concept et théorie associée
Eléments de théorie associée à la fluidisation
La fluidisation consiste à faire passer une phase fluide (très souvent un gaz) à
travers un lit de particules, supportées par une grille, pour les mettre en suspension.
Le terme fluidisation vient du fait que la suspension gaz/solide est amenée dans un
état semblable à celui des fluides. Par exemple, si l’on inclinait le lit fluidisé, la
surface de la suspension resterait horizontale et ne suivrait pas le mouvement du
récipient. On peut aussi plonger un objet dans le lit fluide sans une résistance
particulière de la suspension, comme ce serait le cas pour un fluide. Cet état est dû
au fait que les forces de frottement particule/particule sont généralement
négligeables (exception faite des poudres cohésives) bien que les particules soient
relativement libres de leurs mouvements.
 Quelques propriétés avantageuses :
— Les particules solides sont parfaitement mélangées au sein de la suspension. Le
lit fluidisé est donc parfaitement homogène en température.
— le lit fluidisé peut fonctionner en mode opératoire discontinu (batch) ou continu
(semi-batch ou ouvert). En effet, vu la facilité de prélèvement et d’ajout de particules
solides dans le lit fluidisé pendant sa marche, les particules solides peuvent être au
besoin renouvelées continuellement
— la vidange et le nettoyage des lits fluidisés se font très facilement, comme pour un
réservoir d’eau.
 Quelques inconvénients majeurs :
— l’attrition des particules par un frottement permanent entre elles, qui cause une
diminution progressive de la taille des particules d’une part, et la formation de fines
particules susceptibles de s’envoler facilement d’autre part ;
— aux régimes opératoires les plus intéressants, un phénomène de ségrégation se
produit dans les lits fluidisés et des bulles apparaissent au sein de la suspension
gaz/solide. Si le mouvement ascendant de ces bulles contribue largement à
l’agitation et à l’homogénéisation de la suspension, par contre, il véhicule rapidement
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le gaz du bas vers le haut du lit fluidisé et diminue le temps de contact gaz/solide.
Ainsi, le transfert de matière entre les bulles et la suspension devient souvent une
étape limite dans les procédés de transformation industriels où le lit fluidisé est
employé en tant que « réacteur chimique ».
 Les régimes de fluidisation :
L’état de la suspension dépend de la vitesse de fluidisation, celle-ci correspondant à
la vitesse de fluide en fût vide.
— aux très faibles vitesses de gaz, les particules sont immobiles ; aucune fluidisation
ne se produit
— à une vitesse Umf (vitesse minimale de fluidisation), les particules bougent
légèrement et se mettent en suspension ; la suspension reste homogène et aucune
bulle n’apparaît
— à une vitesse légèrement supérieure à Umf des bulles apparaissent ; on l’appelle
la vitesse de bullage U°. Sauf pour les particules de grosse taille, cette vitesse est
très proche de Umf et peut être confondue avec celle-ci.
— en augmentant la vitesse de
fluidisation et sur une plage opératoire
relativement large, le lit reste fluidisé.
Dans ce régime, les bulles ont une forme
régulière, souvent sphérique mais avec
une calotte inférieure remplie de
particules solides (la traînée). Ce régime
de fonctionnement est appelé la
fluidisation bouillonnante et correspond à celui qui est le plus souvent utilisé.
— au fur et à mesure que la vitesse de fluidisation augmente, la taille et le nombre
des bulles croissent progressivement et l’agitation de la suspension devient de plus
en plus violente. À des vitesses importantes, la forme des bulles devient irrégulière.
On appelle ce régime la fluidisation turbulente.
— quand on dépasse la vitesse terminale de chute libre des particules (Ut), celles-ci
quittent le lit fluidisé avec le courant gazeux. On appelle ce régime le
lit transporté.
Remarque : Le solide mis en suspension possède des propriétés
d’écoulement similaire à celles d’une phase liquide. Ainsi, le profil de
pression suivant la hauteur de la suspension dans un lit fluidisé est
en général parfaitement linéaire (cf courbe ci-contre). Cette propriété
permet de définir le niveau de la surface du lit (pour un système
fermé), par extrapolation de la droite du profil de pression. On
constate d’ailleurs que ce gradient de pression reste constant dans
la plage des vitesses comprises entre Umf et Ut. Ceci est dû au fait que la pression
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nécessaire pour maintenir le lit fluidisé en suspension correspond au poids de la
suspension par unité de surface du lit.
Source : SHAKOURZADEH, Khalil (docteur d’Etat ès sciences physiques,
enseignant-chercheur au département de génie des procédés industriels à
L’Université de Technologie de Compiègne). Techniques de fluidisation. In :
Techniques de l’ingénieur 12 – 1996. Génie des procédés. Opérations unitaires. Vol.
JB4 (après réactualisation n°J139, juin 2010), Génie de la réaction chimique.
Notre concept : principe physique et description
La combinaison de nos travaux de créativité, de veille technologique dans le
domaine Loisirs/ Décoration/ Amusement et notre étude générale de la théorie de la
fluidisation nous ont conduits à imaginer un tableau décoratif.
Il s’agit d’une enceinte close et transparente (en verre par exemple), de
forme parallélépipédique.
 Remarque conception/dimensionnement : Ses dimensions seraient similaires
à celles d’un tableau artistique mural de cadre 60x40cm. La fonction
décorative de notre concept s’inspire en effet de celle d’un tableau (peinture) à
accrocher à un mur. Quant à son épaisseur, elle est de l’ordre de quelques
centimètres (<10cm).
A l’intérieur se trouvent plusieurs couches de particules solides. Dans le cas
illustré en III., on distingue 3 couches de particules différentes. Ce sont des billes
sphériques en plastique (de façon à ce qu’elles soient les plus légères possible), de
quelques millimètres de diamètre. Les 3 couches correspondent à 3 types de
billes, respectivement de couleurs différentes et de masses différentes.
 Remarque conception/dimensionnement : 2 possibilités s’offrent à nous pour
créer ce différentiel de masse : soit utiliser 3 types de particules de même
volume mais faites de matériaux polymères de masses volumiques
différentes, soit 3 types de particules de même masse volumique (même
matériau) mais de volumes différents.
Le système, dont la partie supérieure principale est l’enceinte transparente décrite
ci-dessus, dispose d’un socle opaque contenant une grille par laquelle est envoyé
de l’air permettant de fluidiser le lit de particules.
 Remarque conception/dimensionnement : Le dimensionnement du système
doit permettre un régime opératoire de type « fluidisation bouillonnante ».
Ainsi, pendant la marche, les 3 couches de particules se superposent : la
phase solide la plus lourde étant au fond, et la plus légère en surface. A noter
que la vitesse de l’air doit être telle que toutes les billes soient fluidisées au
même régime, c’est-à-dire telle qu’on observe 3 lits bouillonnants. Pour que le
système utilise le moins d’énergie possible, la vitesse de fluidisation de l’air
sera la plus faible possible : il faut donc choisir une vitesse légèrement
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supérieure à l’Umf des particules les plus lourdes, tout en choisissant la
masse des particules de façon à ce que cette vitesse soit inférieure à l’Ut des
particules les plus légères (pour que celles-ci ne forment pas un lit transporté).
Bien entendu, au sommet de l’enceinte, une sortie d’air est à aménager pour
évacuer la pression au sein du dispositif.
Nous avons choisi de diviser la grille en 3 parties (bacs), tel que représenté sur
le second schéma en partie III. Un compresseur pompe de l’air atmosphérique et
l’envoie sous pression vers 3 électrovannes alimentant respectivement les 3 bacs
par de l’air sous 3 pressions différentes. Ce différentiel de pression entre les 3 bacs
formant la grille crée alors des différences de hauteur entre plusieurs parties du lit
fluidisé à l’intérieur de l’enceinte. Nous proposons d’ailleurs de créer, via une
subdivision supplémentaire de l’ensemble {grille}, un différentiel de vitesses de
fluidisation selon deux dimensions horizontales, afin de donner au lit fluidisé une
surface en relief, dans les 3 dimensions. De plus, un système électronique permet
de moduler l’ouverture des électrovannes (pourquoi pas de manière aléatoire) afin
que les surfaces de séparation entre les couches de particules, ainsi que la surface
supérieure de l’ensemble du lit, soient mouvantes en permanence au cours du
temps.
 Remarque conception/dimensionnement : Nous proposons que les parois
latérales des 3 bacs ne soient pas verticales mais inclinées vers l’extérieur de
chaque bac. Le choix de cette géométrie pourrait ainsi éviter :
- d’une part, que des billes se déposent entre deux entrées d’air et s’y
accumulent sans être re-fluidisées
- d’autre part, que des billes ne s’accumulent selon une loi de répartition de
type gaussienne au centre du dispositif (bac central)
Le résultat décoratif obtenu se veut une superposition de couches de billes de
couleurs harmonieuse en mouvement ondulatoire permanent. On observe à la fois
des discontinuités et mélanges de couleurs passagers ainsi que des réarrangements
selon le poids (et donc la couleur) des billes. Le lit bouillonnant est parcouru de
bulles d’air qui remontent à la surface. L’ensemble est tel un paysage en relief,
esthétique, distrayant et apaisant.
II.
Contexte d’utilisation et limites
Notre tableau est un outil décoratif de l’intérieur d’une
pièce. Il permet de décorer son intérieur et de créer une
ambiance particulière.
Pour son utilisation, il est nécessaire d’avoir une
alimentation électrique pour alimenter le compresseur.
L’ensemble {compresseur+conduits d’air+électrovannes} serait
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inséré dans un meuble de type « commode » fermé, sur lequel serait disposée
l’enceinte en verre. Ainsi, les alimentations (fils) sont cachées (un orifice est alors à
insérer dans le meuble) par souci d’esthétique.
Les billes insérées dans le tableau sont de la taille de billes pour pistolet à billes
(Cf. Photo). Les clients pourront choisir les couleurs de leurs billes afin que le cadre
s’intègre le mieux possible à leur intérieur. De plus, le cadre peut également être
musical. On peut alors imaginer que le mouvement des billes varie non plus
aléatoirement mais en fonction de la musique.
Les limites de notre concept sont les suivantes :
-
-
III.
la vitesse de fluidisation qu’il faut pour élever les différentes billes de masses
différentes
la dissimulation du système d’alimentation en air par souci esthétique : notre
choix impose la mise en place d’un meuble support. L’enceinte se rapproche
alors plus du concept d’aquarium que de celui d’un tableau mural.
le bruit émis par le fonctionnement du compresseur peut constituer une
nuisance sonore. Plusieurs solutions pour atténuer ce problème apparaissent
néanmoins : le choix d’un compresseur le plus silencieux possible, son
insertion dans un meuble suffisamment insonorisé, la couverture du bruit par
la musique émise par le dispositif (qui rythme le mouvement des différentes
parties du lit fluidisé). Attention toutefois à ce que cette musique ne soit pas
trop dégradée justement par le bruit du compresseur.
Schéma du concept
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IV.
Illustration de l’application
Bibliographie
 Sites internet :
http://www.dimipro.fr/cadre-evolutif-a-vagues-blue-ocean-maxi-p48389.html?ref=28&utm_source=gmc&utm_medium=cpc&utm_term=loisirs-maison_decorationtableau&utm_content=48389&utm_campaign=gmc
http://www.amazon.fr/Mattel-Ardoise-Magique-Grande-Bretagne/dp/B000E69YJI/ref=pd_sim_t_1
http://mycrazystuff.com/cadeau-zen/809-cadre-sable-magique.html
http://www.google.fr/images?um=1&hl=fr&rlz=1C1SKPC_enFR361FR362&tbs=isch:1&sa=1&q=jouet
+elefun&aq=f&aqi=g10&aql=&oq=
http://www.natureetdecouvertes.com
http://espacedeau.ca/francais/bulles-effets-lumineux.php
 Article scientifique :
-
SHAKOURZADEH, Khalil (docteur d’Etat ès sciences physiques, enseignantchercheur au département de génie des procédés industriels à L’Université de
Technologie de Compiègne). Techniques de fluidisation. In : Techniques
de l’ingénieur 12 – 1996. Génie des procédés. Opérations unitaires. Vol. JB4
(après réactualisation n°J139, juin 2010), Génie de la réaction chimique.
Annexes

Extrait d’un article de Techniques de l’Ingénieur :
http://opum-groupek.wikispaces.com/file/view/TI-j3390.pdf
Cet article, conçu pour l’ingénieur, nous apporté d’une part un éclairage
théorique sur le principe de la fluidisation. Ses explications détaillées, sur les
différents régimes de fluidisation par exemple, ont complété le cours et nous
ont permis de mieux cerner le phénomène afin de l’adapter à notre création.
D’autre part, cet article nous a (cf calculs Sam)