Academic literature on the topic 'Réacteurs à lit fixe'

Cette thèse est un travail prospectif qui vise à appliquer en Génie des Procédés des méthodes d’optimisation de forme développées dans d'autres domaines d'ingénierie. La première partie de ce travail est dédiée au développement d'une méthodologie d'optimisation de forme et à son implantation dans le logiciel libre OpenFOAM. Elle a ensuite été appliquée afin de déterminer la configuration optimale du garnissage d'un réacteur à lit fixe en deux dimensions en écoulement monophasique de liquide. La méthodologie développée est ensuite testée pour déterminer la forme du garnissage qui minimise la dissipation d'énergie dans le fluide due aux frottements visqueux, la concentration moyenne de réactif en sortie, ou les deux simultanément à l'aide de l'optimisation multicritère. Les configurations optimales déterminées sont satisfaisantes et permettent une amélioration significative de la conversion du réacteur ou de la perte d'énergie dans le fluide. Dans une seconde partie, une campagne expérimentale a été réalisée dans l'objectif de valider la modélisation CFD effectuée par le logiciel OpenFOAM, nécessaire à l'optimisation de forme et simulant l'écoulement et les réactions mises en jeu dans le réacteur. Pour cela, des maquettes à l'échelle 1 du réacteur initial et des réacteurs optimaux ont été fabriquées par impression 3D dans le but de les expérimenter. Les expériences s'articulent autour de 3 techniques de mesure, la PIV (Vélocimétrie par Image de Particules), la mesure de DTS (Distribution des Temps de Séjour) et la mesure de la conversion à la sortie du réacteur. Finalement, il a été montré que l'optimisation du réacteur sous sa forme 2D permet une amélioration significative de ses performances même si la configuration déterminée est sûrement sous-optimale. En effet, après avoir comparé les mesures expérimentales aux simulations en deux et trois dimensions, il a été constaté que la simulation 3D est plus représentative de la réalité que la simulation 2D. Ainsi, optimiser le réacteur sous sa forme 3D serait une perspective intéressante pour la suite à condition d'améliorer le traitement des contraintes liées à l'étape de fabrication additive des réacteurs<br>This thesis is a prospective work which aims to apply in Chemical Engineering shape optimization methods developed in other areas of engineering. The first part of this work is dedicated to the development of a shape optimization method to determine the optimal configuration of a two-dimensional packed reactor with a single phase liquid flow. The developed method is then applied to determine the shape of the reactor packing that minimizes the energy dissipation in the fluid due to viscous friction, the average outlet concentration of reactant, or both simultaneously using multi-objective optimization. The optimal configurations determined are satisfactory and allow a significant improvement of the conversion rate or the energy losses in the reactor. In a second part, an experimental campaign was carried out in order to validate the CFD simulation performed by OpenFOAM software, required by the developed shape optimization approach and modeling the fluid flow and reactions involved in the reactor. For this purpose, scale 1 prototypes of the initial and optimal reactors have been manufactured by 3D printing in order to experiment them. The experimental campaign is based on 3 measurement techniques, the PIV (Particle Image Velocimetry), the measurement of RTD (Residence Time Distribution) and the measurement of the conversion rate at the reactor outlet. Finally, it has been shown that the optimization of the reactor in its 2D form allows a significant improvement of its performance even if the determined configuration is probably sub-optimal. Indeed, after comparing the experimental measurements with 2D and 3D simulations, it has been found that the 3D simulation is more representative of reality than the 2D simulation. Thus, optimizing the reactor in its 3D form would be an interesting perspective for the future works, provided the problem of constraints related to the reactor additive manufacturing step is fixed

La banque de données de résultats expérimentaux sur les réacteurs gaz-liquide et polyphasiques mise au point à Nancy est utilisée pour développer de nouvelles corrélations concernant les pertes de pression, le taux de rétention du liquide et les paramètres de transfert de matière gaz-liquide (coefficient de transfert de matière volumétrique et aire interfaciale)

Dans ce memoire nous proposons un modele permettant d'evaluer les chutes de pression lors de l'ecoulement de fluides non newtoniens purement visqueux a travers les milieux poreux. Il est base sur une representation capillaire du milieu prenant en compte sa structure au travers de deux parametres: la tortuosite et la surface specifique dynamique. Le comportement rheologique des fluides, sur l'ensemble de l'intervalle de variation du gradient de vitesse determine a l'aide du modele, est represente par une serie de lois puissance. Ce modele est valide experimentalement pour des lits fixes de spheres et de particules non spheriques de formes diverses dans un large domaine de nombre de reynolds allant du regime de darcy au regime inertiel. Ce modele a egalement ete teste sur des milieux poreux stratifies. Des lits fixes tasses de plaquettes ont ete etudies selon deux configurations opposees particule-ecoulement. Dans les deux configurations nous avons mesure experimentalement les chutes de pression et determine les parametres structuraux du milieu, puis nous avons analyse les differences concernant leur comportement hydrodynamique. Le modele propose donne des resultats satisfaisants dans les deux configurations. Nous avons ensuite effectue une etude concernant les milieux poreux reticules de tres forte porosite et etudie sa limite de validite dans ce cas. Dans une deuxieme partie nous proposons d'etendre ce modele aux lits fluidises en prenant en compte la variation de la tortuosite en fonction de la porosite durant l'expansion pour chaque type de lit. Le modele a ete teste avec des fluides newtoniens et non newtonien purement visqueux sur des lits de spheres et de plaquettes. Il permet une bonne evaluation de la vitesse minimale de fluidisation et une bonne representation de l'expansion dans un domaine de porosite qui a ete precise dans chacun des cas

Le présent travail est orienté vers l'étude du transfert de matière gaz-liquide dans les réacteurs à lit fixe à co-courant vers le haut de gaz et de liquide. Plusieurs techniques d'absorption avec réaction chimique ont été appliquées pour la détermination du coefficient volumique de transfert de matière gaz-liquide cote liquide et de l'aire interfaciale gaz-liquide. Les paramètres hydrodynamiques tels que la perte de pression et la saturation de liquide ont été mesurés avec les mêmes fluides utilisés pour l'étude du transfert de matière. Les techniques chimiques utilisées sont: l'oxydation du sulfite de sodium étendue aux solutions visqueuses, la carbonatation de la soude et la carbamatation de la diéthanolamine en présence ou non d'ethyleneglycol. Une nouvelle méthode d'oxydation d'hydrazine (solution coalescente) est proposée

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<br>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.

Le craquage catalytique en lit fluidise transporte (fcc) est un procede de raffinage complexe dans lequel il est difficile de prevoir l'effet des conditions operatoires sur les rendements et qualites des produits formes. Dans le but de simuler numeriquement ce reacteur, la modelisation cinetique du craquage catalytique a ete entreprise. Un modele cinetique capable de prevoir la composition chimique de l'essence obtenue a partir de distillats sous vide, en fonction des conditions operatoires est propose. Il comporte 19 familles se differenciant par leur point de coupe et leur nature chimique (paraffine, olefine, naphtene, aromatique). Les reactions qui les lient sont le craquage, le transfert d'hydrogene, la cyclisation et la condensation. La validite du modele a ete verifiee a l'aide de mesures en micro-reacteur a lit fixe dans differentes conditions operatoires: type de charge, masse de catalyseur (de 1 a 6 g), taux de coke predepose sur le catalyseur (0 a 2% de poids), avec une temperature fixe de 530c. Les coefficients stchiometriques du transfert d'hydrogene ont ete estimes par des mesures utilisant des melanges de charges et des molecules modeles telles que le phenyldecane et la decaline. Les vitesses de reaction sont exprimees en fonction des concentrations molaires des reactifs et la desactivation est representee par une fonction du coke forme. Les ordres sont supposes egaux a 1 pour les reactions de craquage et a 2 pour celles de transfert d'hydrogene et de condensation. La determination des 25 constantes de vitesses par optimisation a necessite la modelisation numerique du micro-reacteur. Les resultats obtenus sont satisfaisants, ils montrent qu'un tel modele represente les evolutions observees en micro-reacteur. Les valeurs des constantes cinetiques trouvees sont compatibles avec celles publiees dans les etudes sur molecules modeles. Neanmoins, diverses propositions sont faites pour ameliorer le modele et la precision des constantes

Le couplage d'un digesteur anaérobie à lit fixé et d'une unité d'ultrafiltration assure un traitement efficace des rejets des industries de transformation du lait. Les fortes teneurs en biomasse maintenues par ce bioréacteur à membrane autorisent des rendements épuratoires élevés et une grande robustesse face à des variations de charges hydrauliques et polluantes. Le procédé réduit au minimum 95% de la DCO d'un effluent de 2 à 11 gO2/L avec des temps de séjour dans le digesteur compris entre 35 et 75 heures. La membrane (4 kD) retient de 40 à 90% de la DCO soluble issue du réacteur et stabilise le rejet lors de phases transitoires d'activité biologique. L'ultrafiltration représente 50% des coûts d'investissement et de fonctionnement du système. La demande énergétique provenant de l'unité de filtration et du chauffage du digesteur est en partie réduite par la valorisation du biogaz produit (70% de méthane). L'autonomie calorifique est obtenue pour une DCO de l'effluent de 10 gO2/L.

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

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