Academic literature on the topic 'Réacteur à lit fixe'

Ce travail propose un nouveau procédé d'élimination du Cu2+ par adsorption sur des résines échangeuses d'ions poreuses, mises en œuvre dans un réacteur à membrane à lit mobile de particules. Ce procédé a été étudié sur le plan cinétique pour des solutions synthétiques de Cu(II) dans de l'eau. L'application visée à moyen terme est l'intégration de cette opération unitaire dans une filière de traitement complète des effluents industriels liquides. L'étude cinétique a été réalisée avec une résine cationique forte Mono C-350H en réacteur agité fermé et thermostaté. Les isothermes d'adsorption ont été établies à 21°C et les paramètres de Langmuir et de Freundlich ont été calculés. Une étude de l'influence de la vitesse d'agitation et de la température sur la vitesse réactionnelle apparente a permis de déterminer la zone opératoire correspondant à un régime cinétique. Ce régime est obtenu pour un Reynolds d'agitation supérieur à 4700 et une température inférieure à 60°C. Dans ces conditions, l'ordre de la réaction par rapport au Cu2+ est de un et la constante cinétique exprimée par unité de masse de particules est kwapp=0,03721 lgrés-1min-1 à 21°C. L'énergie d'activation de la réaction a également été déterminée. Par ailleurs, en s'appuyant sur les résultats de l'étude cinétique, les premiers éléments de comparaison d'un réacteur classique à lit fixe et d'un réacteur original à membranes à lit de particules sont présentés. Pour le même débit à traiter, en fixant dans les deux cas un taux de conversion objectif de 95 %, le nouveau procédé permettant d'utiliser des particules de plus faible diamètre conduit à une réduction du volume de particules réactives d'un facteur 4, de la puissance énergétique à fournir au système d'un facteur 3 à 5. Les performances prometteuses de ce procédé restent à valider lors d'une étude pilote.

La méthanisation est un processus biologique de dégradation anaérobie de la matière organique, poursuivant deux buts principaux : une valorisation énergétique par la production de biogaz, composé en majorité de méthane (CH4) et de gaz carbonique (CO2), et une valorisation agronomique par la production de digestat (résidu organique liquide ou pâteux des déchets non digérés), riche en nutriments (azote, phosphore, potassium) et pouvant être utilisé comme fertilisant ou amendement (épandage direct ou compostage). La méthanisation suit un schéma global relativement générique (prétraitement des déchets entrants; digestion; posttraitement du digestat produit et valorisation du biogaz), mais les technologies existantes et les procédés qui leur sont associés sont souvent complexes et variés. Certaines technologies ont été développées en voie humide (réacteurs infiniment mélangés, à lit fixe, à lit fluidisé ou à lit de boues) et d’autres en voie sèche (réacteurs verticaux à recirculation de digestat ou de biogaz, horizontaux à piston, batch à percolation ou cellules de méthanisation). Les procédés qui sont associés à ces diverses technologies se différencient par les choix de prétraitement et de posttraitement appliqués en amont et en aval de la méthanisation, avec une contrainte principale : la nature des déchets à méthaniser. Toutes les variantes sont ensuite possibles à décliner afin d’optimiser l’efficacité du procédé choisi.

Dans le cadre d’une thématique générale du Laboratoire Thermique Energétique et Procédés de Pau consacré à l’étude et à la valorisation des déchets tels que la pyrolyse, la combustion et la gazéification, la thèse se focalise sur la modélisation des phénomènes de transports de masse, de quantité de mouvement et d’énergie en milieu multiphasique multiconstituant réactif dans le cas d’un réacteur de gazéification à lit fixe. La première étape de la modélisation consiste à décrire classiquement le mouvement de chacune des phases continues par les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de la chaleur. Bien qu’à cette échelle les mécanismes soient parfaitement décrits, le passage à la simulation impose une étape d’homogénéisation par prise de moyenne. Ce changement d’échelle, décrit dans ce travail, conduit à un système d’équations homogène à l’échelle locale. Ce modèle est appliqué au cas du procédé de gazéification de déchets de la société Europlasma nommé CHO-Power. Les simulations bidimensionnelles instationnaires du problème ont permis de mettre en lumière les différents mécanismes en présence au cours du procédé ainsi qu’un certain nombre de verrous dans l’obtention du chemin de convergence conduisant au régime permanent
One of the thematics of the “Laboratoire Thermique Energétique et Procédés de Pau” is the study and the valorization of waste as pyrolysis, combustion and gasification for example. In this context, this work deals with modeling of heat, mass and momentum transport in a multiphase multi components reactive medium for a fixed bed gasifier. Conservation equations are first written for each phase. The macroscopic partial differential equations are expressed by integrating these microscopic conservation laws over a representative volume. This change of scale, described in this work, leads to a homogeneous system of equations. This model is applied to the case of the gasification of waste process of the Europlasma company named CHO-Power. The unsteady two-dimensional simulations of the problem allowed to highlight the different mechanisms present during the process and a number of locks in obtaining convergence path leading to the steady state

Les informations empiriques (température, pression partielles. . . ) obtenues sur un catalyseur solide, permettent d'établir sa spécificité envers une réaction donnée. Néanmoins, la catalyse hétérogène étant définie comme un phénomène de contact, il est important d'associer aux conditions opératoires habituellement traitées l'influence du mode de mise en œuvre. Nous avons établi une méthodologie expérimentale qui consiste à mener à l'identique la réduction catalytique et sélective du monoxyde d'azote (SCR) par l'ammoniac, sur V205/Ti02-SiO2 sous forme de poudre, et cela dans deux types de réacteurs de taille identique (lit fixe et lit fluidisé). A faible température, la réactivité de NO et NH3 est particulièrement sensible à la nature du réacteur. Le réacteur à lit fluidisé améliore la conversion de NH3 quelles que soient les conditions opératoires. Le résultat le plus significatif étant essentiellement une évolution de la stoechiométrie, accentuée par le réacteur à lit fluidisé qui semble de ce fait favoriser la formation du protoxyde d'azote (gaz nocif). Par conséquent, le mécanisme réactionnel évolue avec la nature du réacteur, donc du mode de mise en contact du catalyseur solide avec le mélange réactionnel.

Au cours des vingt dernières années, les technologies utilisant des bactéries fixées sont fortement développées dans le domaine de traitement des eaux. La technique de biofilms bactériens peut répondre aux exigences industrielles, telles que le débit élevé, une réduction du volume du réacteur, et la stabilité du processus, etc. L’étude des informations existantes sur les biofilms et les conditions de leurs formations sont décrites et démontrées dans le chapitre 1 "Analyse bibliographique". Les facteurs affectant l'attachement initial des cellules et le développement du biofilm, et le détachement des cellules, ainsi que les méthodes pour rechercher l'influence de ces facteurs ont été étudiés. Les matériaux utilisés comme supports pour la formation de biofilms et les bioréacteurs travaillant avec les biofilms ont été examinés. Suite aux résultats de recherche décrits dans le chapitre 1, l'objectif principal de la présente étude a été posé comme suit: L'objectif est d'élargir la disponibilité de la technologie, utilisant le biofilm par la découverte des propriétés d'un copolymère de polyéthylène et de vinylacétate (PEVA), lequel pour être utilisé comme support d'un biofilm et l'étude des caractéristiques du réacteur travaillant avec le biofilm développé sur ce support. En raison de la grande variété d'applications du biofilm, l'étude a été limitée à l'aspect du traitement des eaux. L'objectif nécessite la résolution de tâches liées à l'étude des propriétés PEVA, leurs influences sur l'attachement des cellules et le développement d'un biofilm, l'étude du support PEVA fonctionnant comme garnissage, le choix de réacteur à biofilm, lequel fonctionne avec ce garnissage, et la recherche de caractéristiques technologiques de ce réacteur. La résolution de cette tâche nécessite l'utilisation de différentes techniques, méthodes et matériels décrits en détails dans le chapitre 3 "Matériaux et méthodes». Pour déterminer les différents paramètres, des matériaux ainsi que des procédés techniques uniques ont été utilisés : la microscopie à balayage électronique(MEB), la microscopie par épi fluorescence avec un marquage DAPI, la micro spectroscopie infrarouge IR-ATR et spectrophotométrie. Aussi des techniques classiques et des méthodes ont été utilisée pour mesurer les paramètres physico-chimiques des matériaux et des milieux tels que l'angle de contact et l’énergie libre de surface, la viscosité, la densité, ainsi que les techniques de mesures de la rétention gazeuse, le temps de séjour et la dispersion axiale, ainsi que la méthode de détermination du coefficient volumique de transfert d’oxygène. Les résultats et les commentaires à leurs sujets sont présentés dans le chapitre "Résultats et discussion. " Les caractéristiques de surface des microorganismes et des séries de supports ont été examinées. Le matériau PEVA a été choisi comme un support et il a été testé pour la formation de biofilm. Il a été constaté que le réseau de polymère PEVA est un support approprié pour le développement du biofilm. L'efficacité des cellules libres et immobilisées dans des flacons et dans un réacteur à lit fixe fibreux a été étudiée. Aussi les influences de la substance chimique extrême et la perturbation thermique ainsi que l'influence de la vitesse de dilution ont été étudiés. Il a été constaté que, sur un lit fixe fait de matériau PEVA, les biofilms ont été stables en développement, ce qui suggère que ce lit est approprié pour une utilisation en zone semi-industrielle et industrielle des bioréacteurs. Certaines caractéristiques du réacteur à lit fixe fibreux, à savoir le temps de séjour et la dispersion axiale, la rétention gazeuse, la taille et la distribution de bulles de gaz, le coefficient volumique de transfert d’oxygène ont été déterminés. Les valeurs des paramètres étudiés ont été déterminées et leurs résultats ont été comparés aux études antérieures faites par d'autres auteurs. Des corrélations empiriques entre ces caractéristiques et des paramètres différents que la vitesse le gaz et le liquide, des propriétés physico-chimiques du milieu et la hauteur du garnissage ont été proposées. L'écart entre les valeurs expérimentales et prédites est dans l’ordre des 15%. En général, nous avons établi que le réacteur à biofilm avec un lit fixe conçu pour intégrer le garnissage fibreux (PEVA) montre un fonctionnement stable en mode continu et il est adapté pour une utilisation dans le domaine du traitement des eaux
In the past twenty years, the technologies using fixed bacteria have developed greatly in the field of wastewater treatment. The bacterial biofilm technique can meet the industrial requirements, such as high flow rate, reduced reactor volume and process stability, etc. A study of published information on biofilms and conditions of their formation has been accomplished and is shown in Chapter 1 "Literature survey". The factors affecting the initial attachment of cells and development of biofilm and the detachment of cells were investigated as well as the methods for studying the influence of these factors. Materials used as supports for biofilm formation and bioreactors, working with biofilms were reviewed. Following the research results described in Chapter 1, the main objective of the present work has been posed as follows: To perform a study to extend the options and techniques for technical-scale biofilm utilization by uncovering the properties of a new polyethylene-vinyl-acetate co-polymer support for biofilms as well as the characteristics of a technical scale reactor for its use. Due to the wide variety of biofilm applications, the study has been limited to the aspect of waste water treatment. The objective posed is requiring resolving the tasks related to study of PEVA properties influencing on the attachment of cells and the development of biofilm, and to feasibility study on PEVA to operate technically in bed, selection of the technical form and appropriate unit – a biofilm reactor - to operate the particular biofilms and characterization of the biofilm reactor performance. Solving these tasks requires the use of different techniques, methods and materials described in details in Chapter 3 "Materials and Methods". To determine the various parameters of the materials and processes, unique techniques were used such as scanning electron microscopy; epifluorescence microscopy, infrared microspectroscopy, spectrophotometry. Also conventional techniques and methods were used for measuring the physicochemical parameters of the materials and medias such as contact angle and surface free energy, viscosity, density and the parameters of technological processes namely hydrodynamics, mass transfer rate, gas hold up and bubble size distribution. Results and comments on them are presented in Chapter "Results and discussion. " Surface characteristics of the microorganisms and series of supports were examined. PEVA material was selected as a support and was tested for biofilm formation. It was found that the polymer network of PEVA material is a suitable medium for the development of biofilm. The effectiveness of the immobilized and free cells in flasks and in a reactor with fibrous fixed bed was studied. Also the influences of the extreme chemical and thermal disturbance as well as the influence of the dilution rate were examined. It is found that on a fibrous fixed bed made from PEVA material, stable biofilms were developing, suggesting that this bed is suitable for use in semi-industrial and industrial bioreactors. Some characteristics of the reactor with fibrous fixed bed, namely, residence time distribution, gas hold-up, bubble size distribution and gas-liquid mass transfer coefficient were determined. The values of parameters studied were determined and the results were compared to previous data of other authors. Some empirical correlations between these characteristics and various parameters as gas and liquid velocity, physicochemical properties of the medium and height of the bed packing are proposed. The deviation between experimental and predicted values is within 15 %. In general, we established that the biofilm reactor with fixed bed with medium recycle designed to incorporate the fibrous packing (PEVA) shows stable operation in continuous mode and it is suitable for use in the field of wastewater treatment

Pour des raisons de coûts, les tests de catalyseur mis en forme (billes, extrudés, …) en réacteur est lit fixe sont mis en œuvre dans des réacteurs de plus en plus petits alors que la taille des objets catalytiques ne change pas. L'objet de cette thèse est d'explorer les domaines où la réduction d'échelle conduit à des questionnements nouveaux en termes de physique, répétabilité, représentativité et modélisation. Le document s'articule autour de 5 chapitres : 1) une introduction détaillée du contexte avec un état de l'art sur les réacteurs à lit fixe de petite taille et l'identification des questions en suspens, 2) une réflexion autour de la nature des écoulements gaz-liquide descendant dans des lits fixes quand les forces capillaires ne sont plus négligeables, 3) la présentation d'une méthodologie et d'un critère sur un nombre minimal de grain nécessaire pour limiter les conséquences d'une distribution granulométrique en présence de limitations au transfert interne, 4) l'étude des effets d'empilements aléatoires sur la performance apparente du réacteur, d'abord par un modèle réseau de pores qui décrit assez bien les tendances observées expérimentalement mais manque de capacité de prédiction, puis par simulation numérique directe d'écoulement réactif dans des empilements de 8 cylindres qui montre que les effets d'empilements apparaissent, avec les limitations au transfert externe, quand la diffusion moléculaire transverse n'est pas assez rapide pour compenser les gradients dus à la réaction et à la convection, 5) une conclusion qui résume les critères de conception de réacteurs de tests à petite échelle, et propose des pistes de continuation du travail
In order to lower costs, testing of catalytic pellets (spheres or extrudates) is performed in ever smaller fixed bed reactors whereas catalytic pellet size is unchanged. The object of this thesis is to explore domains where downsizing leads to new questions in terms of physics, repeatability and modeling. The thesis is built in 5 chapters, 1) a detailed introduction of the context and a review of the literature on small fixed bed reactors, 2) a discussion about flow patterns in fixed beds filled with fine powder where capilary effects are not negligible, 3) a presentation of a methodology to assess the impact of sampling small number of pellets out of a non uniform set and results for internally mass transfer limited reactions, 4) a study of the effect of randomness in fixed beds first through a pore network model with a good ability to predict trends but lacking accuracy, then using direct numerical simulation of a reactive flow in fixed beds made of 8 cylinders arranged in several configuration showing that packing effects occur, concurrently with external mass transfer limitations, when cross flow diffusion is not fast enough to level out convection and reaction induced gradients, 5) a conclusion that summarizes design criteria and offers a few perspectives for R&D in downsizing

L'étude de l'hydrodynamique et du transfert de chaleur à la paroi des réacteurs catalytiques à lit fixe en écoulement arrosé à co-courant descendant (RCLFA) ou noyé a co-courant ascendant (RCLNA) de gaz et de liquide est présentée ici. Les mesures expérimentales ont été obtenues sur une colonne de 3,3 m de haut et 100 mm de diamètre garnie de billes de verre de diamètre de 2 à 6 mm, chauffée à la paroi. Le gaz utilisé est de l'azote: on utilise plusieurs liquides afin d'étudier l'influence de leurs propriétés physiques: eau, solutions d'éthylène glycol à 40 et 60% en masse, solution de pentanol à 1,5%. Les profils radiaux de températures sont mesurés dans le lit, et les paramètres de transfert thermique-conductivité thermique radiale équivalente du lit et coefficient de transfert de chaleur à la paroi, sont obtenus par minimisation de l'écart entre les profils mesurés et les profils calculés par un modèle pseudo-homogène à écoulement piston. En écoulement gaz-liquide, l'hydrodynamique a une grande influence sur le transfert, on a donc aussi étudié les régimes d'écoulement, la perte de charge et la rétention liquide. On étudie l'influence des conditions expérimentales (débits de fluides, taille de particules, régimes d'écoulement, propriétés du liquide) sur les paramètres hydrodynamiques et de transfert de chaleur, obtenus expérimentalement en écoulement monophasique de liquide et en écoulement diphasique de gaz et de liquide. Les résultats sont comparés aux résultats de la littérature. Des corrélations originales sont proposées. Une étude comparative entre les RCLNA et RCFA est aussi présentée

Le traitement photocatalytique d'eaux usées est un procédé efficace ou l'excitation lumineuse représente le coût principal d'exploitation, ce qui suscite le développement de réacteurs solaires. Par ailleurs, un catalyseur en lit fixe est préfère à une suspension car il élimine l'opération de filtration. Si de nombreuses études physico-chimiques ont été menées, il existe peu de recherches en matière de génie photocatalytique. L’objet de ce travail a donc été de réaliser une simulation de la distribution de la lumière dans un réacteur solaire à lit fixe, afin d'assister la conception d'un tel réacteur. Le travail a été conduit en deux étapes : détermination expérimentale de la loi de dispersion sur un lit catalytique réel, suivie de l'application à la distribution de la lumière dans un modèle de réacteur solaire. Un montage original a été développé, qui permet de capter la lumière dispersée dans l'espace par un dépôt soumis à un rayonnement incident laser de faible puissance grâce à un montage goniométrique. Un logiciel de calcul a été développé parallèlement pour convertir les données brutes en une abaque numérique utile. Les données expérimentales font apparaitre qu'en dehors de la transmission directe et de la réflexion spéculaire, il apparait une réflexion et une transmission diffuses sensiblement uniformes dans tout le demi-espace. Si la loi de distribution de la dispersion est assez accessible, le bilan conduisant à l'absorption est délicat à réaliser. Le réacteur solaire choisi est constitué d'un ensemble de plaques planes parallèles fixes au sein d'un large réacteur parallélépipédique. Deux modes de simulation peuvent être envisagés, soit aléatoire (méthode de Monte-Carlo), soit détermininiste. Cette dernière technique a été préférée dans le cas étudié d'un support de géométrie bien définie. Le logiciel analyse la répartition de la lumière par des dispersions consécutives en considérant une arborescence complexe et en mettant en œuvre divers processus d'arrêt du calcul conciliant le temps de calcul et la précision. Ce logiciel a permis de comparer diverses configurations en jouant sur l'inclinaison des plaques et leur distance. Il met en particulier en évidence l'effet de tels paramètres sur la répartition de l'irradiation sur les plaques et l'absorption totale du système.

La synthèse de Fischer-Tropsch offre une alternative à la production d'hydrocarbures par la réaction d'hydrogénation du monoxyde de carbone sur des métaux de transition. La maîtrise de la sélectivité de la réaction permettrait d'orienter préférentiellement la formation des hydrocarbures vers une coupe précise plutôt que d'avoir un large éventail de produits pas toujours utilisables sans traitement ultérieur. Le but de ce travail est d'étudier l'influence de l'alimentation séparée en réactifs sur le comportement de la synthèse et de conduire à une meilleure sélectivité en produits de la coupe diesel (C10+). Différentes configurations de réacteurs utilisant des membranes inorganiques en alumine, catalytiques ou non (IMPBR, CMR), et un catalyseur à base de cobalt ont été utilisés. L'introduction séparée des constituants du gaz de synthèse permet la formation d'alcanes et de diriger cette dernière préférentiellement vers la coupe C10+ dans le cas d'un IMPBR, démontrant la faisabilité du procédé. Pour ce type de réacteur, l'influence du rapport du débit des réactifs, du gaz diffusant par la membrane (H2 ou CO) et la nature de cette dernière (alumine ou composite) ont été étudiées. Une membrane en alumine y avec un faible rapport H2/CO (< 2) permet de déplacer le plus la sélectivité vers Clo10+: jusqu'à 46% de C10+ contre 36% en réactifs mélangés. La diffusion de l'hydrogène favorise la formation de molécules en C10+à la différence du CO qui favorise la formation de produits légers. Une alimentation périodique, notamment en monoxyde de carbone, permet d'obtenir un très fort déplacement de la formation des hydrocarbures vers la coupe diesel, sans toutefois provoquer de désactivation du catalyseur. En maintenant l'ensemble réactionnel sous une alternance rapide de pulsations d'alimentation en monoxyde de carbone, il semble possible de conserver une sélectivité élevée en diesel.

Pour décrire le transfert de chaleur à l'intérieur d'un lit fixe traversé par un fluide, nous avons utilisé le modèle pseudohomogène à écoulement piston. Les paramètres du modèle sont: la conductivité thermique radiale effective qui décrit le transfert de chaleur au sein du lit et le coefficient de transfert de chaleur à la paroi qui décrit le transfert de chaleur entre la paroi du réacteur et le lit. Nous avons déterminé expérimentalement la conductivité thermique effective, la rétention de liquide et le coefficient de transfert de chaleur à la paroi à l'interieur d'un lit fixe traversé en cocourant ascendant par de l'eau et de l'azote. Dans le cas d'un écoulement monophasique de liquide, nous avons montré qu'expérimentalement que le profil de vitesse peut dévier considérablement de l'écoulement piston si les gradients radiaux de température sont élevés et si la dispersion radiale est faible. L’utilisation du modèle avec écoulement piston conduit dans ce cas à une dépendance apparente des paramètres de transfert de chaleur de la longueur du lit et de la puissance de chauffe appliquée. Un modèle simple à deux zones avec une vitesse plus importante à la paroi et une vitesse plus faible au sein du lit permet alors une meilleure représentation de nos profils de température expérimentaux. Nous avons comparé nos valeurs de la conductivité thermique effective avec celles prévues par les corrélations de la littérature. Le modèle de Schlunder décrit de façon satisfaisante nos résultats à condition que la vitesse réelle du liquide au sein du lit soit connue. L’échange radial plus élevé en écoulement biphasique gaz-liquide évite l'apparition d'un écoulement préférentiel à la paroi. Le modèle pseudohomogène à écoulement piston représente correctement les profils de température expérimentaux. Nous avons observé une forte influence du régime d'écoulement sur la conductivité thermique effective

L'utilisation de la technique des microsondes électrochimiques sur la paroi d'un lit fixe fonctionnant à écoulement monophasique de liquide ou a co-courant vers le bas de gaz et de liquide, permet d'étudier l'hydrodynamique des écoulements et les mécanismes de transfert de matière liquide-solide. En admettant l'existence d'une couche limite hydrodynamique à proximité de l'interface liquide-solide, le signal délivré par les microsondes peut être en effet relie au gradient pariétal de vitesse et au frottement local liquide-solide. En écoulement monophasique de liquide, nous avons mis en évidence la transition entre un écoulement très stable et un écoulement à caractère aléatoire prononcé. Dans l'écoulement à caractère aléatoire nous avons observé la présence d'agrégats de liquide dont la taille est comparable à la taille des interstices. Le mécanisme de transfert de matière liquide-solide semble être intermédiaire entre un mécanisme laminaire et un mécanisme turbulent. En co-courant vers le bas de gaz et de liquide, la technique des microsondes permet l'étude du mouillage local de la paroi ainsi que la détermination expérimentale des limites entre les différents régimes d'écoulement rencontrés. En régime à bulles dispersées l'écoulement pariétal est très instable, ce qui semble être du aux bulles de gaz se déplaçant par des à-coups de pression et accrochant le liquide, en écoulement visqueux. Le mécanisme de transfert de matière liquide-solide semble laminaire. Un bilan macroscopique d'énergie mécanique montre que l'énergie transmise par le gaz au liquide est essentiellement de l'énergie fluctuante, inefficace dans un processus de transfert de matière laminaire