Réacteurs à lit fixe miniatures pour la catalyse de réactions liquides-gaz

par David armando De Oliveira Pinto

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Hugues Bodiguel.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Rhéologie et Procédés (laboratoire) depuis le 02-01-2017 .


  • Résumé

    A l'échelle industrielle, les réacteurs lit fixe fonctionnent en écoulement descendant, avec un taux de mouillage très élevé grâce à la mise en œuvre d'un système de distribution en entrée du réacteur. La réduction d'échelle de ce type de technologie (2 – 16 mm de diamètre interne) ne permet pas de conserver la même qualité de mouillage, ce qui peut fausser l'évaluation des performances des catalyseurs à l'échelle pilote. Afin d'éviter des problèmes de mouillage en unité pilote, deux solutions sont envisageables. La première consiste à maintenir le fonctionnement en écoulement descendant, tout en rajoutant de la poudre dans l'espace interstitiel. Cette poudre va augmenter localement la contribution des phénomènes de capillarité, ce qui se traduit par une amélioration importante du taux de mouillage du catalyseur. Un autre effet de la poudre est d'augmenter les forces de friction et de forcer le liquide à mieux se répartir. Une deuxième solution, est le passage en écoulement ascendant, lit noyé ou encore lit à bulle. Ce type de fonctionnement présente l'avantage principal du mouillage complet du catalyseur, cependant, le régime hydrodynamique n'a rien de commun par rapport à celui existant en écoulement descendant. En écoulement descendant, le gaz occupe la grande majorité du volume vide du réacteur, et le liquide s'écoule en forme de petits filets le long de la surface du catalyseur. En écoulement ascendant, le liquide est la phase continue et le gaz est dispersé en forme de petites bulles, qui ont tendance à passer dans les zones présentant la porosité la plus importante (souvent proche des parois et de la canne thermométrique). Une façon d'améliorer la distribution du gaz dans le réacteur en écoulement ascendant est l'ajout, à nouveau, de poudre dans l'espace vide à l'intérieur du réacteur. Les phénomènes de capillarité vont, dans ce cas, jouer un rôle important et vont promouvoir, a priori, une bonne distribution des deux fluides à l'intérieur du réacteur. L'utilisation de poudres fines dans les réacteurs remplis de catalyseur mis en forme implique, cependant, une modification des phénomènes physiques régissant l'écoulement gaz-liquide. Les phénomènes de capillarité et de tension de surface deviennent prépondérant à ces échelles, or les cartes d'écoulement basées uniquement sur les vitesses et parfois la gravité n'en tiennent pas compte. L'écoulement étant différent du fonctionnement sans poudre, il est attendu que la qualité du transfert de matière soit également différente. Bien que très répandu dans les laboratoires, les écoulements en lit fixe en présence de poudre de remplissage de porosité ont été très peu étudiés. En l'absence de limitations au transfert de matière externe, il a été démontré dans les années 90 que l'utilisation de poudres fines était nécessaire pour obtenir des performances similaires à celles des unités plus importantes opérées en écoulement ascendant. Les résultats issus des unités mettant en œuvre ce type de chargement sont parfois incohérents avec les autres unités. Une explication possible est que le SiC joue le rôle d'écran en empêchant le transfert radial du réactif présent en phase gaz, mais cette hypothèse reste à vérifier. Comme ces comportements atypiques n'ont pas été compris, la question sur la validité des modèles de réacteur et les corrélations permettant le calcul des propriétés hydrodynamiques et de transfert se pose. En effet, des approches plus fines que le modèle classique piston-dispersion ou que la théorie du film seront, a priori, nécessaires afin de reproduire finement le comportement de ce type de configuration. Quelques études au sein de la littérature ont été consacrées à l'hydrodynamique à l'intérieur de lits-fixes avec présence simultanée de particules de catalyseur et de poudre fine. Ces études s'intéressaient à la problématique de « réduction d'échelle » et cherchaient à vérifier que ces réacteurs étaient représentatifs d'unité plus grosse sans étudier les écoulements en profondeur. Des coefficient de transfert de matière dans des réacteurs avec remplissage de porosité ont été déduits par mesure réactive et calage de modèle. Il a constaté un transfert G-L mal décrit par les corrélations usuelles et une excellente dispersion axiale. Les caractérisations de réacteurs remplis uniquement de poudre micrométrique sont également peu nombreuses, avec notamment une étude concernant la dispersion axiale. Les résultats montrent une faible interaction entre les phases gaz et liquide et que les corrélations classiques ne donnent pas des bons résultats. Sur des bases bibliographiques, il a été proposé une carte d'écoulement gaz-liquide en lit fixe de poudre micrométrique et une réflexion sur les conséquences génie chimique dans les lits avec remplissage de porosité. Cette carte reste tout de même à valider.

  • Titre traduit

    Miniature Fixed Bed Reactors for Liquid-Gas Reaction Catalysis


  • Résumé

    At industrial scale, fixed bed reactors work in a descendent flow, with a wet percentage very high, thanks to the implementation of an inlet distribution system of the reactor. The downscaling of this type of technology (2 - 16 mm internal diameter) does not allow the same wetting quality to be maintained, which may distort the evaluation of pilot scale catalyst performance. In order to avoid wetting problems in the pilot unit, two solutions can be envisaged. The first is to maintain downflow operation, while adding powder into the interstitial space. This powder will locally increase the contribution of the capillary phenomena, which results in a significant improvement in the degree of wetting of the catalyst. Another effect of the powder is to increase the friction forces and to force the liquid to distribute better. A second solution is the passage in ascending flow, drowned bed or even bubble bed. This type of operation has the main advantage of full wetting of the catalyst, however, the hydrodynamic regime has nothing in common with respect to that existing in downflow. In descending flow, the gas occupies the great majority of the empty volume of the reactor, and the liquid flows in the form of small threads along the surface of the catalyst. In the ascending flow, the liquid is the continuous phase and the gas is dispersed in the form of small bubbles, which tend to pass through the zones having the largest porosity (often close to the walls and the thermometric rod). One way of improving the gas distribution in the upflow reactor is the addition of powder again into the void space within the reactor. The phenomena of capillarity will, in this case, play an important role and will promote, a priori, a good distribution of the two fluids inside the reactor. The use of fine powders in reactors filled with shaped catalyst, however, involves a modification of the physical phenomena governing the gas-liquid flow. The phenomena of capillarity and surface tension become preponderant at these scales, but the flow maps based solely on velocities and sometimes gravity do not take them into account. Since the flow is different from the powderless operation, it is expected that the quality of the material transfer will also be different. Although very widespread in laboratories, fixed bed flows in the presence of porosity fillers have been very little studied. In the absence of limitations on the transfer of external matter, it was demonstrated in the 1990s that the use of fine powders was necessary to achieve performances similar to those of the larger units operated in ascending flow. The results from the units implementing this type of loading are sometimes inconsistent with the other units. One possible explanation is that SiC acts as a screen by preventing the radial transfer of the reactant present in the gas phase, but this hypothesis remains to be verified. Since these atypical behaviors were not understood, the question of the validity of the reactor models and the correlations allowing the calculation of the hydrodynamic and transfer properties arises. Indeed, approaches finer than the classical piston-dispersion model or that the theory of the film will, a priori, be necessary in order to reproduce finely the behavior of this type of configuration. Some studies in the literature have been devoted to hydrodynamics within fixed beds with simultaneous presence of catalyst particles and fine powder. These studies were interested in the problem of "downscaling" and sought to verify that these reactors were representative of larger units without studying the deep flows. Material transfer coefficients in reactors with porosity filling were deduced by reactive measurement and model calibration. He found a G-L transfer poorly described by the usual correlations and excellent axial dispersion. The characterizations of reactors filled only with micrometric powder are also few, in particular with an axial dispersion study. The results show a weak interaction between the gas and liquid phases and that the classical correlations do not give good results. On a bibliographical basis, a gas-liquid flow map has been proposed in a fixed bed of micrometric powder and a reflection on the chemical engineering consequences in the beds with porosity filling. This remains to be validated.