Pfe(séchage à lit fluidisé)

Mise au point d’un séchoir à lit fluidisé | établissement du protocole de TP 1

Dédicace

Nous avons le grand plaisir de dédier ce modeste travail à nos

chers parents pour leurs soutiens, affections et amours, leurs

confiances et patiences et pour leurs sacrifices infinis

Nous dédions également ce travail à :

Nos frères et nos sœurs qui ne cessent de nous encourager et de

nous soutenir.

Notre encadrant qui nous avoir dirigé vers le chemin de succès

et qui a été assez généreux de leur aides et leur conseils.

Tous les personnels de l’ESTF.

Tous les étudiants de l’ESTF.

Toute la famille et tous les amis.

Nos sincères expressions de Respect et de Confiance, à tous ceux

qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail.


Remerciements

Au terme de ce projet de fin d’étude nous tenons tout d’abord à

remercier tous ceux qui ont contribué de loin ou prés à la réalisation

de ce travail et ont rendu notre recherche aisée et fructueuse.

Nous profitons de cette occasion pour remercier tous les

enseignants de l’école supérieure de technologie Fès et, en particulier,

notre encadrant le professeur Mr. Abdellatif Loukili qui nous

avoir encadré tout au long du projet, pour ses conseils précieux, pour

la confiance qu’il nous a témoigné , pour son aide et savoir faire qui

nous a donné la possibilité de mieux réaliser ce rapport et enfin pour

la chance qu’il nous a donné d’acquérir une partie de son expérience.

Nous tenons à remercier également les membres de jury :

Mr .A.LOUKILI; Mr .M.LOUKILI et Mme K.OUZZANI

Enfin nous exprimons nos respectueux dévouements à toute

l’équipe de l’école supérieure de technologie de Fès pour la qualité de

l’enseignement qui nous ont dispensées.


Introduction

La technique du séchage par lit fluidisé est la conjonction de deux idées: le séchage et la

fluidisation.

Le séchage des produits solides est une opération ayant pour but d’éliminer, par évaporation,

les liquides volatils qu’il contient; c’est une opération qui, normalement dans l’industrie chimique,

suit la séparation liquide – solide obtenue par décantation, filtration, centrifugation ou bien la

précipitation d’un solide par concentration

La fluidisation est le fait de donner à une poudre solide les propriétés d'un liquide par

contact avec un courant fluide ascendant (liquide ou gaz), qui compense la vitesse de chute des

particules. Ce courant, s'il est envoyé à une vitesse suffisante, provoque une désagrégation du

solide, mais si cette vitesse n'est pas trop forte, les grains, au lieu d'être entrainés, ont une agitation

désordonnée comparable à l'agitation moléculaire. C'est ce qu'on appelle un lit fluidisé. Le but de la

fluidisation est notamment d'augmenter la surface de contact gaz-solide pour faciliter le séchage.

Le manuscrit est organisé de la manière suivante :

Le premier chapitre est consacré aux connaissances générales sur le phénomène de séchage :

Définition, application et terminologie de séchage, ainsi que les modes de séchage (par convection,

par conduction, et par rayonnement) et les différents procèdes de séchage.

Dans le second chapitre, nous présentons la définition de la fluidisation, les régimes de la

fluidisation, la classification des particules solides, ainsi que les vitesses minimale et terminale de

fluidisation .La suite de ce chapitre est consacrée à la fluidisation gaz solide, les techniques et les

applications de la fluidisation et les avantages et inconvénients de lits fluidisés.

Dans le dernier chapitre nous présentons les appareillages nécessaires pour le pilote de

séchage a lit fluidise et les calculs de la puissance du ventilateur et du débit nécessaire pour un

séchoir à vis d’ARCHEMIDE.


Sommaire

Dédicace ........................................................................................................... 1

Remerciements ................................................................................................... 2

Introduction ........................................................................................................................................ 3

CHAPITRE 1 : SECHAGE DES SOLIDE......................................................................................... 7

I. GÉNÉRALITÉS .................................................................................................................................... 7

1. Définition ........................................................................................................................................... 7

2. Application ........................................................................................................................................ 7

II. TERMINOLOGIE DE SECHAGE ....................................................................................................... 8

1. Déshydratation ............................................................................................................................... 8

2. Corps humide ................................................................................................................................. 8

3. Corps hydraté ................................................................................................................................. 8

4. Corps sec ......................................................................................................................................... 8

III. MODE DE SECHAGE ...................................................................................................................... 9

1. Séchage par convection ..................................................................................................................... 9

2. Séchage par conduction ..................................................................................................................... 9

3. Séchage par rayonnement ................................................................................................................ 10

IV. CHOIX DU PROCEDES DE SECHAGE .......................................................................................... 11

1. Séchoirs continus ............................................................................................................................. 11

a. Atomisation ................................................................................................................................. 11

b. Tambour rotatif : ......................................................................................................................... 12

c. Sécheur tunnel ............................................................................................................................. 14

2. Séchoirs discontinus ........................................................................................................................ 15

a. Lit fluidisé : ................................................................................................................................... 15

b. Sécheur à palette / vis ................................................................................................................. 16


CHAPITRE 2 : LA FLUIDISATION ............................................................................................... 18

I. GENERALITES .................................................................................................................................. 18

1. Définition ......................................................................................................................................... 18

2. Régimes de fluidisation ................................................................................................................... 18

3. Les classes de la fluidisation ........................................................................................................... 19

II. CONSIDERATION THEORIQUES ................................................................................................... 20

1. Détermination de la vitesse minimale théorique de fluidisation ...................................................... 20

a. Vitesse minimale de fluidisation ................................................................................................. 21

b. Détermination de la vitesse d'entraînement théorique ................................................................. 21

III. FLUIDISATION GAZ SOLIDE ..................................................................................................... 22

1. Séchage par lit fluidisé .................................................................................................................... 22

2. Fluidisation gaz-solide ..................................................................................................................... 23

3. Techniques de fluidisation et applications ....................................................................................... 24

a. Application de la fluidisation ...................................................................................................... 24

b. Avantages et inconvénients de lits fluidisés ................................................................................ 25

CHAPITRE 3 : APPARILLAGES ET CALCULS .......................................................................... 26

I. PILOTE DE SECHAGE EN LIT FLUIDISE ..................................................................................... 26

1. But ................................................................................................................................................... 26

2. Possibilités expérimentales ............................................................................................................. 26

3. Instrumentation ............................................................................................................................... 26

4. Système ........................................................................................................................................... 26

5. Dessin de séchoir ............................................................................................................................. 27

II. DIMENSIONNEMENT ...................................................................................................................... 28

1. Calcul de la puissance du ventilateur .............................................................................................. 28

2. Le choix des appareils ...................................................................................................................... 29

a. Ventilateur ................................................................................................................................... 29

b. Sortie de l’air ............................................................................................................................... 30

3. Calcul du débit nécessaire pour un séchoir à vis d’ARCHEMIDE ................................................... 31

CONCLUSION .................................................................................................................................... 33

Bibliographie ..................................................................................................................................... 34


Liste des figures

Figure 1 : Forme d’énergie consommée dans les sécheurs industriels en FRANCE ......................... 7

Figure 2 : séchoir en atomisation .................................................................................................... 11

Figure 3 : séchoir tambour rotatif ................................................................................................... 12

Figure 4 : séchoir tunnel ................................................................................................................. 14

Figure 5 : séchoir à lit fluidisé ......................................................................................................... 15

Figure 6 : Sécheur à palettes ........................................................................................................... 16

Figure 7 : différents régimes de fluidisation ................................................................................... 19

Figure 8 : Classification de Geldart des particules .......................................................................... 19

Figure 9 : Lits fluidisés (vitesses croissantes de fluide de gauche à droite) .................................... 22

Figure 10 : ventilateur centrifuge ................................................................................................... 30

Figure 11 : filtre à manche et cyclone ............................................................................................. 30

Liste des tableaux

Tableau 1 : exemples d’applications pour séchoir atomisation ..................................................... 11

Tableau 2 : Exemples d'applications de séchoir tambour rotatif ................................................... 13

Tableau 3: Caractéristiques du procédé de séchoir tambour rotatif ............................................. 13

Tableau 4 : Exemples d'applications pour le séchoir tunnel .......................................................... 14

Tableau 5 : Caractéristiques du procédé du séchoir tunnel ........................................................... 15

Tableau 6 : Exemples d'applications de séchoir à lit fluidisé .......................................................... 15

Tableau 7 : Caractéristiques du procédé de séchoir à lit fluidisé ................................................... 16

Tableau 8 : Type de produit et Exemples d'applications de Sécheur à palettes ........................... 16

Tableau 9 : Caractéristiques du procédé de sécheur à palette ...................................................... 17

Tableau 10 : les avantages et les inconvénients de la fluidisation .................................................. 24

Tableau 11 : facteurs influençant la structure du lit fluidisé ........................................................... 24


CHAPITRE 1 : SECHAGE DES SOLIDE

I. GÉNÉRALITÉS

1. Définition

C’est l’élimination partielle ou totale de l’humidité non combinée imprégnant les corps

humides par évaporation d’un liquide dans un mélange solide liquide ou dans une solution

cristalloïde ou colloïde, sans changer ou modifier la structure moléculaire primitive du corps traité.

2. Application

Il est largement utilisé dans l'industrie chimique il se pratique dans plusieurs cas:

le liquide résiduel est incompatible avec la suite du procédé

le produit humide se conserve mal (hydrolyse possible, modification de l'aspect physique par

agglomération des grains)

le coût du transport est plus élevé en présence de liquide

le séchage permet outre l'élimination du liquide, la création de modifications de la structure

interne du solide soit par exemple l'apparition d'une structure poreuse

Figure 1 : Forme d’énergie consommée dans les sécheurs industriels en FRANCE

A cause du coût énergétique de la vaporisation l'industriel cherche à avoir la plus basse

teneur possible en liquide à l'entrée du sécheur. La tendance est à n'utiliser le séchage que lorsque

les procédés de séparation mécanique restent impuissants pour atteindre la teneur souhaitée en

liquide.


Il se distingue de l'évaporation par les quantités de liquide traité: le liquide d'imprégnation

est à une teneur initiale beaucoup plus faible dans le cas du séchage. Les appareils sont donc

complètement différents.

Le séchage est une opération unitaire mettant en jeu un transfert de matière (le liquide

imprégnant le solide passe à l'état de vapeur dans une phase gazeuse) et un transfert thermique (une

fourniture de chaleur permet le changement de phase du liquide). La vaporisation pourra s'effectuer

par ébullition ou par évaporation.

On peut signaler que le terme de déshydratation a un sens plus restrictif car il ne s'applique

qu'à l'élimination de l'eau.

On l'applique également à l'élimination de l'eau de cristallisation des cristaux hydratés. Ce

but n'est pas recherché dans une opération de séchage.

II. TERMINOLOGIE DE SECHAGE

1. Déshydratation

La déshydratation est la perte ou l'élimination de l'eau d'un corps. Cette dernière peut être

partielle ou totale.

Toutefois le terme de dessiccation est plus utilisé pour parler de déshydratation totale,

2. Corps humide

Tout corps solide ou liquide contenant de l’humidité. Les mélanges hétérogène où un liquide

constitue l’élément principal et que l’on désigne par : suspensions, émulsion ou dispersions, sont

des corps humide.

3. Corps hydraté

Combinaison d’un corps solide avec l’eau, représentant des associations moléculaires

appelées hydrates ou sel hydratés.

4. Corps sec

a. corps séché : corps à teneur finale en humidité (sortant d’un séchoir).

b. corps déshydraté : corps ayant perdu une partie ou la totalité de son eau de cristallisation

ou constitution. c. corps à siccité : corps débarrassé de toutes traces d’humidité.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dessiccation


III. MODE DE SECHAGE

Le transfert de matière se produisant lors d’un séchage s’effectue par évaporation, par

vaporisation ou par sublimation.

Le séchage par évaporation ou par vaporisation s’obtient par chauffage de la matière

humide. Il existe de très nombreux modes de séchage dont le choix dépend essentiellement du type

de produit à sécher (état physique, texture, thermo sensibilité, etc.). On distingue, selon le mode de

chauffage utilisé :

– le séchage direct, appelé aussi séchage par convection ou par entraînement ;

– le séchage indirect ou séchage par conduction ou par contact;

– le séchage par rayonnement;

1. Séchage par convection

C'est le mode de séchage le plus fréquent dans l'industrie chimique: on envoie sur la matière

à sécher un courant gazeux chaud (le plus sec possible) qui fournit la chaleur nécessaire à

l'évaporation du liquide et entraîne la vapeur formée. La température du gaz diminue entre l'entrée

et la sortie alors que c'est le contraire pour le solide.

Dans un procédé en continu deux sens de circulation sont possibles pour le gaz et le solide à

sécher. La circulation à contre-courant est toujours la plus efficace et permet un séchage plus

poussé. L'inconvénient est par contre de mettre en présence à une extrémité du sécheur le gaz à sa

température la plus élevée (le moins humide) avec du solide ayant l'humidité la plus faible. Le

risque de détérioration du produit est donc important pour un produit thermosensible. Par contre

pour un séchage à Co-courant le séchage est le plus intense quand le gaz chaud est en contact avec

le solide ayant l'humidité la plus forte: le risque d'altération du produit diminue alors fortement.

2. Séchage par conduction

Le produit à sécher se trouve en contact avec une paroi solide portée à une température

élevée par chauffage (fumées, vapeurs d'eau...).

La conduction à travers la paroi et la matière entraîne une augmentation de la température du

composé à sécher: le liquide se vaporise donc par évaporation ou par ébullition s’il atteint sa

température d'ébullition.


Les vapeurs formées sont soit aspirées (cas du séchage sous pression réduite qui abaisse la

température d'ébullition), soit entraînées par un gaz de balayage dont le débit est très faible par

rapport à celui utilisé dans le cas d'un chauffage par convection. La couche de solide en contact

avec la paroi est d'abord séchée puis il y a ensuite une augmentation de l'épaisseur de la couche

sèche en cours d'opération.

Ce type de séchage est intéressant quand on souhaite récupérer le solvant évaporé pour le

récupérer (pour le recycler ou pour éviter le rejet d'effluents polluants). En effet la condensation

d'un solvant est toujours beaucoup plus facile quand il n'est pas mélangé à un gaz.

Le séchage sous pression réduite permet de traiter des produits facilement oxydables à une

température élevée. Il est aussi très intéressant pour le séchage des substances thermosensibles qui

ne supporteraient pas longtemps une température élevée.

3. Séchage par rayonnement

Ce mode de séchage convient aux produits en plaques ou en films, donc de faible épaisseur.

L'apport d'énergie s'effectue par ondes électromagnétiques générées soit par des dispositifs

électroniques (micro-ondes) soit par élévation de température d'un émetteur infrarouge.

En infrarouge le chauffage se manifeste sur des épaisseurs très faibles (500μm). Avec des

micro-ondes on peut sécher à des épaisseurs plus importantes.

Le champ électromagnétique véhiculé par ces fréquences excite les molécules d'eau:

l'agitation moléculaire qui en résulte provoque des chocs intermoléculaires. Cela entraîne un

échauffement du produit et donc la vaporisation des molécules d'eau.

Le séchage par micro-ondes est encore peu fréquent dans l'industrie chimique: il présente les

avantages d'être propre et facile à réguler.

De même son action s'effectue sur le volume du solide ce qui diminue les risques de

croûtage en surface.


IV. CHOIX DU PROCEDES DE SECHAGE

De nombreux types de sécheurs pouvant être aptes à sécher un même produit, le choix du

procédé devra être opéré en fonction de certains facteurs :

– nature du produit : solide, liquide, pâte, poudre, cristaux;

– taux d’humidité initial et final;

– paramètres relatifs au produit : pourcentages de fines et répartition granulométriques;

– débit de produit exigé;

– capacité thermique du produit;

– nature de l’humidité;

– sécurité de l’opération de séchage : toxicité, inflammabilité, danger d’explosion.

1. Séchoirs continus

a. Atomisation

Figure 2 : séchoir en atomisation

Tableau 1 : exemples d’applications pour séchoir atomisation

Teneur en eau Lait

Café Levures Poudres

détergentes

Initial (liquide) 52 % 75 - 85 % 75 % 35 %

Final

(pulvérulent) 3 % 3 - 5 % 8 % 4 - 10 %

1. Entrée du produit humide 2. Pulvérisation des particules 3. Chambre de séchage 4. Sortie du produit sec 5. Cyclone de dépoussiérage 6. Fines


Le séchage comprend 3 étapes :

Pulvérisation du produit :

L’atomisation consiste à pulvériser la suspension à sécher en fines gouttelettes, souvent en

partie haute de l’enceinte.

Le liquide peut être pulvérisé par atomisation centrifuge, par atomisation sous pression (buse

à simple fluide) ou par atomisation pneumatique (buse à 2 fluides).

Cette opération détermine la taille des gouttelettes produites (et leur granulométrie), leur

trajectoire, leur vitesse et par conséquent la dimension finale des particules sèches.

Mélange air-spray et évaporation de l’eau :

Les gouttes formées tombent par gravitation dans un courant d’air chaud et sèchent jusqu’à

obtention d’un grain de poudre sec.

Le contact de l’air avec le produit peut se faire selon un écoulement Co-courant, contre-

courant ou mixte.

Séparation du produit sec de l’air rejeté :

La récupération des poudres est effectuée par des cyclones, suivis ou non de filtres à

manches et de laveurs de gaz.

b. Tambour rotatif :

Figure 3 : séchoir tambour rotatif

Type de produit :

Produit fibreux

Produit pulvérulent, granulaire

Produit pâteux extrudable, émiettable ou granulable

1. Entrée du produit humide 2. Léchage air chaud 3. Sortie du produit sec


Tableau 2 : Exemples d'applications de séchoir tambour rotatif

Teneur en eau Sable Pulpe de

betterave

Talc Pâtes

alimentaires

initiale 6 - 7 % 76 - 78 % 65 % 26,5 %

finale 0 % 10 - 12 % 0,5 - 1,5 % 12,5 %

Ces séchoirs sont constitués d’un tambour (cylindre), généralement de grande longueur,

tournant lentement autour d’un axe légèrement incliné par rapport à l’horizontale. Le produit

humide est introduit en partie supérieure par un tapis ou une vis d’Archimède. Le produit avance

par gravité, les grains roulant les uns sur les autres.

Séchoir tambour convectif (à léchage et brassage) :

Dans certains cas, la paroi intérieure du cylindre est garnie d’aubes permettant de remonter

le produit et de le laisser tomber en pluie au cours de la rotation. Ce système accroît

considérablement la surface d’échange entre le produit et l’air et donc contribue à diminuer le temps

de séchage.

Séchoir tambour conductif :

La paroi du cylindre est chauffée extérieurement par des gaz de combustion. La face interne

du cylindre assure par conduction la transmission de la chaleur au produit humide.

Un écoulement d’air est nécessaire pour l’extraction de la vapeur d’eau.

Tableau 3: Caractéristiques du procédé de séchoir tambour rotatif

Température de

fonctionnement

Temps de

séjour

Capacité de

traitement

horaire

Débit du produit

100 à 900 °C

10 à 60 mn

50 à 70 t/h

Tambour conductif Tambour convectif

1 à 20 kg d'eau/h/m² 3 à 100 kg

d'eau/h/m³


c. Sécheur tunnel

Figure 4 : séchoir tunnel

Type de produit :

Produit pâteux

Produit pulvérulent, granulaire, fibreux

Produit plan, en forme, en morceaux

Tableau 4 : Exemples d'applications pour le séchoir tunnel

Teneur en eau Gélatine Laine en

bourre

Fruits et

légumes

Briques et

tuiles

initiale 70 % 35 - 40 % 80 -90 % 20 %

finale 10 % 0,1 - 15 % 5 % 3 %

Un sécheur tunnel est constitué d’une enceinte fixe dans laquelle le produit à traiter se déplace

longitudinalement d’une extrémité à l’autre de l’enceinte.

Transport du produit

Le produit initial est déposé, à l’entrée du tunnel, au moyen d’un dispositif adéquat, qui peut

être une bande oscillante, une vis d’étalement, un distributeur vibrant ou une boudineuse.

La matière est transportée sur un tapis unique (en tôles pleines ou perforées, en grillage, en

toile tissée).

Séchage du produit

L’apport de chaleur au produit se fait généralement par l’intermédiaire d’un fluide de

séchage (circulation d’air chaud).

D’autres modes de transfert de la chaleur sont également possibles.

1. Entrée du produit humide 2. Produit en défilement 3. Sortie du produit sec


Des variantes au procédé générique existent également (sécheur tapis à tabliers en série ;

sécheur tapis à tabliers superposés ; sécheur chariot ; sécheur à balancelles).

Tableau 5 : Caractéristiques du procédé du séchoir tunnel

Vitesse du

fluide

Température

de

fonctionnement

Temps de

séjour

Débit du

produit

Capacité de

traitement

horaire

très variable

30 à 250 °C

très variable

très variable

1 à 50 kg d'eau/h/m³

2. Séchoirs discontinus

a. Lit fluidisé :

Type de produit :

Figure 5 : séchoir à lit fluidisé

Tableau 6 : Exemples d'applications de séchoir à lit fluidisé

Teneur en

eau

colorants levures boues Charbon

broyé

initiale 31% 70% 65% 50%

finale 7% 5% 40% 8%

Le séchage comprend 3 étapes :

Traitement d’air

L’air extérieur, qui va servir au séchage du produit, est filtré et chauffé.

Fluidisation

L’air soufflé au travers d’une plaque de diffusion, permet la fluidisation du lit de particules

(la mise en mouvement du lit), qui offrent alors une surface de séchage plus importante.

1. Entrée du produit humide 2. Chambre de fluidisation 3. Sortie du produit 4. Cyclone de dépoussiérage


Le lit est en mouvement de fluidisation homogène lorsque la vitesse de l’air de séchage est

supérieure à la vitesse de fluidisation minimale et inférieure à la vitesse au-delà de laquelle se

produit un entraînement des particules hors de la zone de processus.

Séparation du produit sec et de l’air de séchage

Des variantes au procédé générique existent également (Lit vibré, lit à échangeurs immergés,

lit en fontaine).

Tableau 7 : Caractéristiques du procédé de séchoir à lit fluidisé

Vitesse du fluide

Température de fonctionnement

temps de séjour

débit du produit

capacité de traitement horaire

0,2 à 3 m/s 50 à 200°C 2 à 60 mn 5 à 50 t/h 30 à 200 kg d'eau/h/m²

b. Sécheur à palette / vis

Figure 6 : Sécheur à palettes

Tableau 8 : Type de produit et Exemples d'applications de Sécheur à palettes

Teneur en eau Boues de peinture

hydrosoluble

Boues de peintures

organiques

Initiale : Produit pâteux

pulvérulent, granulaire

70% 70%

Finale : Produit pulvérulent,

granulaire

3,2 %

2,2 %

Le sécheur à palettes est constitué d’un corps cylindre horizontal (stator) à l’intérieur duquel

tourne un arbre (rotor) muni de bras, à l’extrémité desquels sont fixées des pelles.

1. Entrée du produit

2. double enveloppe

3. palette

4. arbre creux

5. sortie du produit sec


L’ensemble bras/pelles est remplacé par des segments de disques radiaux pour le traitement

de produits pâteux. Il peut y avoir un arbre à contre-pales pour assurer un nettoyage plus efficace de

l’arbre principal.

L’enveloppe extérieure est chauffée par l’intermédiaire de gaz chauds ou d’un fluide

thermique.

L’arbre et les palettes peuvent aussi être parcourus par un fluide thermique. Le mouvement

des palettes permet un brassage intensif du produit et les surfaces d’échange supplémentaires

qu’elles offrent augmentent le transfert de chaleur.

Il est nécessaire de prévoir une faible ventilation (air ou gaz inerte) ou une pompe à vide

pour enlever les vapeurs de séchage.

Des variantes au procédé générique existent également (sécheur vis).

Tableau 9 : Caractéristiques du procédé de sécheur à palette

Température de

fonctionnement

Temps de

séjour

Volume utile de

produit entrant

Capacité de

traitement horaire

vapeur fluide

thermique

10 mn à 10 h

0,1 à 20 m³

10 à 15 kg d'eau/h/m²

De surface 120 à

130 °C

280 à

350 °C


CHAPITRE 2 : LA FLUIDISATION

I. GENERALITES

1. Définition

La fluidisation est le fait de donner à une poudre solide les propriétés d'un liquide par

contact avec un courant fluide ascendant (liquide ou gaz), qui compense la vitesse de chute des

particules. Ce courant, s'il est envoyé à une vitesse suffisante, provoque une désagrégation du

solide, mais si cette vitesse n'est pas trop forte, les grains, au lieu d'être entrainés, ont une agitation

désordonnée comparable à l'agitation moléculaire. C'est ce qu'on appelle un lit fluidisé. Le but de la

fluidisation est notamment d'augmenter la surface de contact gaz-solide pour faciliter le séchage.

2. Régimes de fluidisation

D’une manière générale, on distingue deux régimes de fluidisation :

– La fluidisation particulaire : cas où le lit présente une densité moyenne de particules à peu

près constante d’un point à l’autre. À l’échelle macroscopique, on peut considérer le lit comme

homogène (il n’existe pas de zones sans solides, et pas de bulles). Ce type de fluidisation par un gaz

est réalisé avec de très fines particules.

– La fluidisation agrégative : cas dans lequel on observe une apparition de bulles

pratiquement exemptes de solide. C’est la situation la plus fréquemment rencontrée en fluidisation

gaz-solide. Lorsque la fluidisation est provoquée par un gaz, le lit fluide est loin d’être homogène; il

est, en fait, constitué de zones riches en particules (phase dense) et de zones pauvres en particules

(phase diluée).

Le passage d’un gaz à travers une couche de particules solides conduit, suivant la vitesse

superficielle du gaz, à des régimes différents de fluidisation :

• le bullage: des bulles se forment dans la région de la grille de distribution de gaz au bas de

la colonne, s'élèvent dans le lit, grossissent par coalescence et viennent finalement éclater en surface

comme dans le cas d'un liquide à ébullition. En réalité ce phénomène est très complexe et très

étudié. La plupart des réacteurs fonctionnent sous ce régime.

• le pistonnage: le diamètre des bulles atteint cette fois des dimensions comparables à celles

de la colonne. Il y a alternance dans le lit de passage de grosses bulles et de lit stable. La surface du

lit se soulève et retombe de manière très régulière.

• le renardage: les particules s'accolent et créent des passages préférentiels pour le gaz.


a) fluidisation à vitesse minimal b) homogène c)bullage d) pitonnage

Figure 7 : différents régimes de fluidisation

Ces phénomènes n’affectent pas gravement le schéma théorique si le fluide est un liquide. Il

n’en est pas de même s’il s’agit d’un gaz. Dans ce cas, le bullage est un phénomène général qui

apparaît lorsque la vitesse du gaz atteint une certaine valeur qui n’est nettement supérieure à la

vitesse qui provoque la fluidisation que si les particules sont très fines. La plage des vitesses de gaz

permettant la fluidisation peut donc être très étroite, voire inexistante.

3. Les classes de la fluidisation

La masse volumique et la taille des particules ont une influence importante sur leur aptitude

à la fluidisation. La taille des particules utilisées dans les lits fluidisés industrielles peut varier de 15

à 6000 μm, la masse volumique de ces particules ainsi que celle du fluide varient également dans

une large gamme. La vitesse nécessaire à la fluidisation des grosses particules sera largement

supérieure à celle pour les particules de plus faibles diamètres.

En se basant sur ces caractéristiques de fluidisation, Geldart a classifié les particules en

quatre groupes distincts suivant leur différence de densité avec le fluide et leur diamètre, le

diagramme de Geldart est représenté sur la figure 8

Figure 8 : Classification de Geldart des particules


Geldart a identifié quatre régions dans lesquelles l’aptitude à la fluidisation est distinctement définie :

Classe A, les poudres fines et légères : les particules sont de taille petite et de masse volumique

faible et facile à fluidiser (polystyrène). Les particules appartenant à cette catégorie ont les

caractéristiques suivantes :

ρs < 1400 kg/m3 ; 20 μm <dp <150 μm ; exemples de poudres : divers catalyseurs.

Classe B, les poudres sableuses : cette catégorie regroupe la majeure partie des solides

fluidisables. Il s’agit de poudres dont les caractéristiques sont les suivantes :

1400 kg/m3 < ρs < 4000 kg/m3; 80 μm < dp < 800 μm exemple de poudre : le sable.

Classe C, les poudres fines cohésives : ce sont des poudres adhésives, difficiles à fluidiser, ces

particules sont de très faibles dimensions

dp < 30 μm exemple de poudre : farine, talc. Ciment

Classe D, les poudres granuleuses : cette catégorie rassemble les grosses particules dont la vitesse

de fluidisation est relativement importante

dp > 800 μm exemple de poudre : les céréales.

Une bonne fluidisation est assurée par une poudre caractérisée par :

– une distribution raisonnable des granulométries;

–solide de diamètres entre 50 μm et 1 mm pour éviter l'agglomération des particules

– solide ayant une bonne résistance à l'attrition (frittage)

–distribution de taille pas très importante

II. CONSIDERATION THEORIQUES

1. Détermination de la vitesse minimale théorique de fluidisation

Le mouvement aléatoire des particules engendrées par la circulation des fluides ne pourra

être obtenu que si la vitesse ascendante du fluide dépasse une certaine limite (vitesse minimale de

fluidisation vminf). Au delà de cette vitesse, le lit se met en mouvement et subit une expansion. En

deçà, la position relative des particules est conservée; on dit que le lit reste fixe.

On détermine la vitesse à laquelle intervient la fluidisation en fonction de la pression due à

la pesanteur et de la pression correspondant à la perte de charge du fluide à travers un milieu

poreux.

Soit un lit de particules homogènes disposées dans une colonne au-dessus d’une plaque

perforée. Un fluide réel (air) s’écoule au travers du lit. Dans les cas les plus fréquents (particules

fines), la fluidisation se produit en régime laminaire.


Pour un certain débit, la perte de charge du fluide traversant le lit poreux est donnée par la

relation de Kozeny-Carman :

∆𝑃 =180Z0

ψ2[μ(1 − ε0)2

dp2ε3

] 𝑣𝑚𝑖𝑛𝑓

a. Vitesse minimale de fluidisation

On écrit l'expression du module F de la résultante du poids et de la poussée d'Archimède:

F = g. ZO. S. ∆ρ. (1 − ε) = g. Z0. S. (1 − ε)(ρs − ρf)

Donc la perte de charge ΔP au minimum de fluidisation:

∆𝑃 =F

S=

∆ρ. S. Z0(1 − ε)g

S= ∆ρZ0(1 − 𝜀0)𝑔

Avec l’égalité suivant :

∆𝑃 =180Z0

ψ2[μ(1 − 𝜀)2

dp2ε3

] 𝑣𝑚𝑖𝑛𝑓 = ∆ρZ0(1 − 𝜀)𝑔

D’ou

𝑣𝑚𝑖𝑛𝑓 =dp

2ε3∆ρg

180μ(1 − ε). ψ2

On remarque que 𝑣𝑚𝑖𝑛𝑓 ne dépend pas du diamètre de la colonne.

b. Détermination de la vitesse d'entraînement théorique

Suivant la valeur de Rep, on a trois expressions de la vitesse d'entraînement théorique de la particule:

Loi de Stokes (Rep < 1): 𝑣𝑝 =𝑑𝑝

2.∆𝜌.𝑔

18.𝜇

Loi de Allen (1 < Rep < 500): 𝑣𝑝 = (1,78. 10−2 . 𝑑𝑝

3.∆𝜌2.𝑔2

𝜌𝐹.𝜇)

13⁄

Loi de Newton (Rep > 500): 𝑣𝑝 = √3,1.𝑑𝑝.∆𝜌.𝑔

𝜌𝐹


AVEC :

Rep : nombre de Reynolds particulaire 𝑅𝑒𝑝=𝜌𝑓..𝑉.𝑑𝑝

µ

𝑍0 : La hauteur initiale du lit de particules ;

ε: La porosité du lit 𝜀 =𝑉𝑡−𝑉𝑝

𝑉𝑡 avec 𝑉𝑡: volume totale et 𝑉𝑝 volume de particule ;

𝑑𝑝 : Le diamètre des particules ;

g : l’accélération ; µ : la viscosité dynamique du fluide ; 𝑣minf : La vitesse superficielle minimale de fluidisation ; ρ

s : La masse volumique de particules ;

ρf : La masse volumique du fluide ;

∆= (ρs – ρ

f ) : la différence entre les masses volumiques des particules et du fluide ;

S : l’aire de la section de la colonne ; ψ: Facteur de forme (ψ = 1 pour des sphères). Lit fixe Lit fluidisé Lit entrainé

Gaz ou Liquide Liquide ou gaz Liquide ou gaz

(Faibles vitesses) (Grandes vitesses)

Figure 9 : Lits fluidisés (vitesses croissantes de fluide de gauche à droite)

III. FLUIDISATION GAZ SOLIDE

1. Séchage par lit fluidisé

La fluidisation est souvent la technique la plus adaptée aux transformations physiques ou

chimiques impliquant la mise en contact d’une phase solide et une phase gazeuse, en raison de ses

nombreux avantages par rapport aux autres techniques de mise en contact. Pour un lit de particules

dans un état fluidisé, les interactions fluide-particules compensent le poids des particules, de telle

sorte que chaque particule est complètement supportée par le fluide; ce qui est obtenu pour des

vitesses de fluide supérieures à la vitesse minimale de fluidisation.


En fluidisation, la phase fluide est soit un gaz ou un liquide, mais c’est la fluidisation

gazeuse qui a reçu la plus grande attention de la part de la communauté scientifique, les applications

industrielles de ces systèmes étant beaucoup plus importantes.

Il existe trois grands types de lit fluidisé :

Lit fluidisé simple : l'air assure à la fois la fluidisation, l'apport de chaleur et l'évacuation des

vapeurs désorbées.

Lit fluidisé vibré : l'apport de chaleur est encore assuré par l'air, mais la fluidisation se fait

cette fois par un procédé mécanique.

Lit fluidisé à échangeur interne : l'air n'assure que la fluidisation et l'évacuation des vapeurs :

l'apport de chaleur est effectué par un échangeur externe, placé à l'intérieur du lit.

2. Fluidisation gaz-solide

En partant d'une couche de solides divisés au repos, et sous l'effet d'un courant ascendant de

gaz, un lit fixe de particules s'expanse et atteint un état d'équilibre dynamique, dit fluidisé dense,

Il ya plusieurs cas selon la vitesse du fluide ascendante

•pour les plus faibles vitesses, la couche de solide reste sur la grille sans mouvements

visibles. Si on augmente encore la vitesse, on observe des vibrations de particules.

• pour une vitesse Vminf, on note une expansion de la couche: on atteint ainsi la transition

entre l'état fixe et l'état fluidisé du lit de particules.

• en augmentant encore la vitesse, le lit poursuit son expansion: on peut alors décrire l'état

fluidisé. Les particules sont indépendantes les unes des autres. Elles sont soumises à des

mouvements désordonnés de faible amplitude. On ne note aucun mouvement de translation de

l'ensemble par rapport au fluide. La surface supérieure du lit est pratiquement nette et horizontale.

Le lit est assimilable à un liquide.

• à partir d'une certaine vitesse du gaz, des hétérogénéités apparaissent dans le lit avec des

phénomènes de bullage. L'aspect de la surface du fluide est alors celui d'un liquide à l'ébullition.

• quand la vitesse du gaz est approximativement égale à la vitesse limite de chute des

particules dans le gaz au repos, l'ensemble des particules est alors expulsé hors de la colonne: c'est

le phénomène d'entraînement. L'application de ce phénomène est le transport mécanique des solides

pulvérulents.


3. Techniques de fluidisation et applications

Tableau 10 : les avantages et les inconvénients de la fluidisation

Principaux avantages Principaux inconvénients

fonctionnement en continu ou en discontinu le produit doit être fluidisable, c’est-à-dire

pulvérulent et peu humide

large gamme de tailles d’appareils l’envolement des fines nécessite un

dispositif efficace de séparation gaz-solide

(cyclone, Filtres à manches)

bonne productivité par rapport à

l’encombrement

la grille de fluidisation peut être source

d’encrassement faible attrition du solide

nettoyage de l’appareil relativement aisé

Tableau 11 : facteurs influençant la structure du lit fluidisé

Facteurs relatifs aux

particules solides

Facteurs relatifs à l’agent

de fluidisation

Facteurs relatifs à l’appareil de

fluidisation

Dimensions

vitesse

forme (cylindrique, conique, etc.),

distribution granulométrique hauteur du lit fixe

facteur de forme

viscosité

type de distributeur

densité des particules

effet électrostatique rapport Z0 /d de l’appareil

humidité

a. Application de la fluidisation

Cette technique a beaucoup d’applications dans :

– les opérations de transfert de matière et /ou thermique;

– les opérations hydromécaniques : le mélange des solides;

– les processus chimiques.

– Opérations de type physique : mélange ou séparation de solides, séchage.

La fluidisation peut, en principe, être utilisée toutes les fois qu’un fluide doit être mis en

contact avec un solide (réactions entre fluide et solide, ou encore réactions entre fluides en présence

d’un catalyseur solide). En pratique, ce sont les mélanges gazeux qui sont les plus utilisés.

– Craquage catalytique ou thermique des hydrocarbures

– Reformage catalytique.

– Combustion et gazéification du charbon.

– Incinération de résidus liquides et de déchets solides


– Calcination des carbonates et des phosphates.

– Grillage de minerais sulfurés.

– Réduction directe du minerai de fer.

– Synthèses catalytiques : anhydride maléique, aniline, acrylonitrile.

– Oxychloration de l’éthylène.

b. Avantages et inconvénients de lits fluidisés

Les lits fluidisés denses ont généralement les caractéristiques suivantes qui favorisent leur

utilisation dans des applications diverses 1. Le mouvement permanent des particules qui ressemble

à celui d’un fluide, permet de manipuler de façon continue, contrôlée et automatique les opérations

avec une relative facilité, ainsi comme le transport des solides dans et hors du lit.

2. Transfert thermique élevé vers la surface du lit et du fluide aux particules, menant à

l’uniformité de la température dans le lit.

3. Taux de transfert de masse élevée entre le fluide et les particules, ce qui fait de ce mode

de contact l’un des plus convenables.

4. Application sur un grand choix de propriétés des particules et sur un taux élevé de

mélange des solides, à cet effet les opérations peuvent être contrôlées de façon simple et en sécurité.

Cependant, les lits fluidisés présentent les inconvénients suivants :

1. Pour les lits de bouillonnement avec des particules fines, le mouvement devient difficile à

décrire, et les grandes déviations de l’écoulement conduisent à un contact inefficace.

2. Le mélange rapide dans le lit mène aux temps de séjour non-uniformes des solides dans le

réacteur. Pour le traitement continu des solides, ceci donne un produit non uniforme et une

performance très pauvre, particulièrement à niveaux de conversion élevée.

3. Des solides friables sont pulvérisés et entraînés par le gaz et ils doivent être remplacés.

4. L’érosion des tubes et des conteneurs due à l’abrasion par des particules peut être

sérieuse.


CHAPITRE 3 : APPARILLAGES ET CALCULS

I. PILOTE DE SECHAGE EN LIT FLUIDISE

1. But

Etude du séchage par convection à lit fluidisé de produit alimentaire.

2. Possibilités expérimentales

Etude de l’influence de la charge du produit à traiter, de la température de l’entrée d’air, du

débit d’air.

3. Instrumentation

Mesure et la régulation de température de l’air d’entrée

Mesure de température de l’air de sortie

Mesure de la température du produit

Mesure de la pression différentielle entre l’amont et l’aval du distributeur

Prélèvement d’échantillons produit

Mesure de l’humidité de l’air en entrée et en sortie

4. Système

La machine de base se compose de :

Un ventilateur : Une entrée d’air,

Un distributeur bien dimensionné doit assurer :

– une bonne répartition du débit de fluide sur l’ensemble du lit fluidisé;

– l’absence de perte de solide;

– un arrêt et un démarrage rapide

Un chauffage électrique

Le fonctionnement de la résistance est asservi à la mesure de température à l’entrée du débit d’air ;

Un élément de filtration en sortie : colonne séparateur de particules (filtre a manche, cyclone) ;

L’alimentation en solide.


5. Dessin de séchoir


II. DIMENSIONNEMENT

1. Calcul de la puissance du ventilateur

𝐻%=80%

mh = 6kg

T=50 °C ε=15%

À l’entrée :

On a la teneur en humidité : 𝐻% = (𝑚ℎ𝑒 _𝑚𝑠)

𝑚𝑠⟹ 𝑚𝑠 =

𝑚ℎ𝑒

1+𝐻%

Donc la masse sèche à l’entrée est :

𝑚𝑠 = 3,33 𝐾𝑔

La masse d’eau à l’entrée est :

𝑚𝑒𝑖 = 𝑚ℎ𝑒 − 𝑚𝑠 = 2,67𝐾𝑔

À la sortie :

La masse humide :

𝐻% =𝑚ℎ𝑠−𝑚𝑠

𝑚𝑠

mhs = ms(1 + 𝐻%)

𝑚ℎ𝑠 = 3,50 𝐾𝑔

𝑚𝑒𝑓 = 𝑚ℎ𝑠 − 𝑚𝑠 = 0,17𝐾𝑔

La masse d’eau évaporée : m𝒆𝒗 = 𝑚𝑒𝑖 − 𝑚𝑒𝑓 = 2,5𝑘𝑔

Détermination de la teneur en vapeur d’eau par le diagramme de l’air humide :

∆𝜔 = 𝜔𝑓 − 𝜔𝑖

Avec : 𝜔𝑖 = 11,64 𝜔𝑓 = 21.19

∆𝜔 = 9,55 𝑔𝐻20 𝐾𝑔 𝑑′𝑎𝑖𝑟 𝑠𝑒𝑐⁄

La quantité d’air nécessaire pour évaporer 2 ,5 kg d’eau :

qair =2,5

9,55. 10−3= 261,8 Kg d′air sec

Séchoir

𝐻%= 5%

T = 40°C ε = 45 %


Le débit d’air à l’entrée : G𝒂𝒊𝒓 =q𝒂𝒊𝒓

t.ρair

Avec :

ρair = 1,09 𝑘𝑔/𝑚3 Et t = 3h

𝐺𝑎𝑖𝑟 = 80,1 𝑚3

ℎ⁄ = 0.022 𝑚3

𝑠⁄

Puissance de ventilateur :

Nous estimons les pertes der charge à 800 mbar et le rendement est estimé à 70% pour ce démarrage :

𝑃 = ∆𝑝. 𝐺𝑎𝑖𝑟

𝜂

𝑃 = 0,022.800. 10−3. 105

0,71 , 2

𝑃 = 3,27𝐾𝑤

Avec :

∆𝑝 : Perte de charge en mbar ;

P : puissance en 𝐾𝑤 ;

qair : Quantité d’air sec en kg

𝐺𝑎𝑖𝑟: Débit volumique en 𝑚3 ;

𝐻% : Teneur en humidité ;

𝑚𝑠 : Masse sèche ; mh : masse humide ; mev : masse d’eau évaporée

𝜔 ∶ Teneur d’humidité

𝜂: Rendement d’un ventilateur ;

2. Le choix des appareils

a. Ventilateur

Les ventilateurs sont des turbomachines transférant à l'air qui les traverse l'énergie nécessaire afin

de véhiculer l’air au travers d’une paroi (ventilateur de paroi), dans un ou plusieurs conduits ou bien

permettant de balayer un espace (local) assurant ainsi une homogénéisation de l’air.


Dans le cas d’un ventilateur centrifuge, l’aspiration de l’air se fait axialement et le refoulement

radialement. Pour un ventilateur axial, l’air est véhiculé parallèlement à l’axe de la roue,

Dans notre cas on choisit un ventilateur centrifuge pour son rendement de 75 à 90%

Et pour sa perte de charge importante et constante

Figure 10 : ventilateur centrifuge

b. Sortie de l’air

Pour la sortie on fixe un filtre à manche pour la récupération des grains emportés par l’air de séchage,

Généralement on utilise des cyclones qui sont plus difficiles à réaliser.

Figure 11 : filtre à manche et cyclone


3. Calcul du débit nécessaire pour un séchoir à vis d’ARCHEMIDE

Le volume de séchoir : 𝑉 =𝜋𝐷2ℎ

4

𝑉 =𝜋.0,42.2

4= 0.251𝑚3

Le volume de remplissage sachant que le coefficient de remplissage égal à 30%

𝑉𝑟=

0.251.30

100=0.0754𝑚3

On calcule la masse volumique de caroube :

On prend une masse de graine et on pesé après on mettre cette masse dans une

éprouvette de 100 ml pleine d’eau et bien ajustée et mesurer la différence de volume .en déduire

la masse volumique des grains mouillées.

On trouve la masse volumique égale à 1 ,25 g/cm3

Maintenant on calcule la masse de caroube : 𝜌 =𝑀

𝑉⇒ 𝑀 = 𝜌. 𝑉

D’où M = 1,25. 0, 0754 106 = 94247 g

Donc la masse des grains est : 94,247 kg

Le séchoir contient 4 compartiments avec une rotation de 20 𝑡𝑟 𝑚𝑖𝑛⁄

Le 1er compartiment fait 2 pas la 2ème et la 3ème applique 3,25 pas et le dernier

compartiment fait 4,75 pas.

Donc on a 13,25 pas et chaque pas correspond à un tour alors on a13.25 tour.

20 tr ⟶ 60 s

13.25tr ⟶ 39.75 s

Donc la capacité est : Μ =M

t

�� = 94.25

39.75 = 2, 37 𝑘𝑔 𝑠⁄


𝐻%=22%

mhe = 2,37kg

𝜔𝑒.𝑎𝑖𝑟 = 15 𝑔 𝑘𝑔⁄

À l’entrée :

On a la teneur en humidité : 𝐻% = (mhe − ms)

ms⟹ 𝑚𝑠 =

mhe

(1+𝐻%)

Donc la masse sèche à l’entrée est :

𝑚𝑠 = 1,942 𝐾𝑔

La masse d’eau à l’entrée est :

𝑚𝑒𝑖 = 𝑚ℎ𝑒 − 𝑚𝑠 = 0,42𝐾𝑔

À la sortie :

La masse humide : 𝐻% =𝑚ℎ𝑠−𝑚𝑠

𝑚𝑠⟹ mhs = (1 + 𝐻%). ms

𝑚ℎ𝑠 = 2,116 𝐾𝑔

𝑚𝑒𝑓 = 𝑚ℎ𝑠 − 𝑚𝑠 = 0,174𝐾𝑔

La masse d’eau évaporée :

m𝒆𝒗 = 𝑚𝑒𝑖 − 𝑚𝑒𝑓 = 0,246𝑘𝑔

Détermination de la teneur en vapeur d’eau par le diagramme de l’air humide :

∆𝜔 = 𝜔𝑓 − 𝜔𝑖 Avec : 𝜔𝑖 = 15 𝜔𝑓 = 33

∆𝜔 = 18 𝑔𝐻20 𝐾𝑔 𝑑′𝑎𝑖𝑟 𝑠𝑒𝑐⁄

La quantité d’air nécessaire pour évaporer 0,246 kg d’eau :

qair = 0,246

18. 10−3= 13,611 Kg d′air sec

Le débit d’air à l’entrée :

G𝒂𝒊𝒓 = q𝒂𝒊𝒓

t.ρair Avec ρair = 1,09 𝑘𝑔/𝑚3 Et t = 82 s

𝐺𝑎𝑖𝑟 = 0,152 𝑚3/𝑠

Séchoir

𝐻%= 9%

𝜔𝑠.𝑎𝑖𝑟 = 33 𝑔 𝑘𝑔⁄


CONCLUSION

Cette étude a montré des notions et des procédés du séchage à

lit fluidisé et quelque innovation dans le domaine.

Pour toutes les applications et les avantages de ce projet, on

peut dire qu’il est l’un des sujets les plus fréquents dans l’industrie

chimique. Ce pendant malheureusement la réalisation de ce projet est

entravé par plusieurs contraintes.

Le problème majeur rencontré consiste à une absence du

ventilateur, le pilier central de notre projet. Cet obstacle impose une

élimination de la partie expérimentale, ce qui cause un manque du

côté technique et pratique.

Finalement, on souhaite que ce modeste travail trouve une

bonne appréciation et sera un manuel d’information pour toute

personne désirant en savoir plus sur le séchage à lit fluidise


Bibliographie

On pourra consulter les ouvrages suivants dont certaines figures ont été adaptées:

- Cour de séchage des solides (Mr A. LOUKILI)

- Technologie Génie Chimique (ANGLARET - KAZMIERCZAK) Tomes 2 et 3

- Les opérations unitaires du génie chimique, M. LONCIN, DUNOD

- Fluidisation gaz solide Geldart D 1982.

- Génie des procédés, Séchage. Théorie et calculs. Charreau A. et Cavaille R.,

- Le séchage et ses applications industrielles, Dunod, 1969. Dascalescu A

- Le diagramme d'air humide utilisé se trouve dans les Techniques de l'ingénieur.

Site web

http://nte.mines-albi.fr

http://eduscol.education.fr

http://www.azprocede.fr

http://www.emse.fr

http://www.techniques-ingenieur.fr

http://nte.mines-albi.fr/

http://www.azprocede.fr/

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