Étude hydrodynamique et modélisation des réacteurs de carbochloration

Experimental study and mathematical modeling of fluidized-bed chlorination of zirconium dioxide

• Auteur / Autrice : Mikel Leturia
• Direction : Khashayar Saleh, Mohammed Benali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés Industriels : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)
• Date : Soutenance le 08/07/2013
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• DOI : 10.70675/f4425cf1z57efz4946z973bzc4480cb72883

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Réacteurs à lit fluidisé

Modèles mathématiques

Fluidisation

Cinétique chimique

Réacteurs chimiques

Poudres

Cohésion

Séparation (technologie)

Centrifugation

Noir de carbone

Zirconium

Zircone

Mots clés libres

Coulabilité

Lits fluidisés

Élutriation

Poudres cohésives

Carbochloration

Bilan de population

Fluidization

Fluidized reactors

Cohesive powders

Carbochlorination

Zirconium

Carbon-black

Hydrodynamics

Chemical kinetics

Chemical reactors

Mathematical models

Population balance equations

Résumé

Cette thèse aborde l’étude expérimentale des écoulements gaz-solide et la modélisation des réacteurs à lit fluidisé. L’application analysée concerne la carbochloration de la zircone (ZrO2), opération préliminaire indispensable à l’obtention de zirconium métallique. L’objectif principal est de mieux comprendre et de modéliser le comportement des réacteurs existants pour améliorer et optimiser leur rendement. La démarche entreprise consiste dans un premier temps à étudier et comprendre l’hydrodynamique des lits fluidisés de carbochloration. Les résultats obtenus montrent que le noir de carbone joue un rôle d’agent d’écoulement en améliorant la coulabilité de la zircone et donc le comportement du mélange ZrO2/C. De plus, une bonne dispersion du noir de carbone sur les particules de zircone est essentielle pour optimiser son rôle d’agent d’écoulement et obtenir un mélange ZrO2/C plus résistant à la ségrégation. A partir des données expérimentales, différentes méthodes et corrélations sont proposées pour prédire la taille et la densité des agglomérats, la vitesse minimale de fluidisation, l’expansion du lit fluidisé et le débit d’élutriation des particules. Les résultats obtenus lors de l’étude hydrodynamique sont ensuite utilisés pour modéliser le comportement des réacteurs industriels, par un couplage de l’hydrodynamique et de la cinétique chimique. Ce modèle permet la résolution des équations de bilan de matière, de bilan de population et de bilan thermique en régime transitoire. Il est ainsi possible de prédire les performances des réacteurs (conversion de chlore, granulométrie dans le lit fluidisé, débit d’élutriation, etc.) en fonction des conditions opératoires.

This thesis deals with the experimental study of gas-solid flows and the modeling of fluidized bed reactors. The industrial application investigated in this work corresponds to the carbochlorination of zirconium dioxide (ZrO2), which is an essential step for the production of zirconium metal. The main objective is to develop a model of the industrial reactors and provide a better understanding of their behavior. The approach consists first in studying the hydrodynamics of fluidized bed carbochlorination reactors. The results show that the carbon black acts as a flow conditioner (glidant) and improves the flow properties of the ZrO2/C mixture. The presence of tiny spherical carbon nanoparticles on the surface of relatively large oxide particles reduces the interparticle forces and friction between adjacent particles. A good dispersion of the carbon nanoparticles is needed to enhance their ability to act as a glidant and also increase the resistance to segregation of the resulting mixture. From the experimental data, different methods and correlations are developed to predict the agglomerate size and density, the minimum fluidization velocity, the bed expansion and the elutriation flow rate. Then, a carbochlorination reactor model is developed by coupling hydrodynamics and kinetics. This model allows the resolution of unsteady-state mass and energy balance equations as well as population balance equations. It is thus possible to predict the chlorine conversion, the composition of the product gas, the elutriation flow rate and the particle size distribution in the bed depending on the operating conditions.