Conception et dimensionnement de réacteurs-échangeurs microstructurés pour la production de gaz de synthèse par vaporeformage du méthane
Auteur / Autrice : | Mamadou Mbodji |
Direction : | Laurent Falk, Jean-Marc Commenge |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Génie des procédés et des produits |
Date : | Soutenance le 02/10/2013 |
Etablissement(s) : | Université de Lorraine |
Ecole(s) doctorale(s) : | RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés |
Jury : | Président / Présidente : Anne-Cécile Roger |
Examinateurs / Examinatrices : Pascal Del-Gallo | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Cécile Roger, Isabelle Pitault |
Mots clés
Résumé
L'efficacité globale du procédé de vaporeformage du gaz naturel est affectée par la limitation au transfert thermique au sein du lit catalytique et la génération d'un excès de vapeur d'eau non valorisable. Une des clés possibles pour le rentabiliser davantage consiste à optimiser les transferts thermiques en faisant évoluer le design du réacteur. Un échangeur-réacteur microstructuré a ainsi été retenu. Cet appareil de par la taille submillimétrique de ses canaux permet d'intensifier les transferts de chaleur et de matière. Cependant, la modification de l'architecture traditionnelle oblige à développer de nouveaux catalyseurs (MgAl2O4) déposables dans les microcanaux et permettant d'atteindre conversion élevées (80%, 20 bar, 850°C) à faibles temps de passage (150 ms). La faisabilité du concept et la performance des catalyseurs ont été validées sur un canal dans les conditions industrielles du procédé. Un modèle de réacteur piston hétérogène a été utilisé pour estimer la cinétique de la réaction de reformage. Pour le design de l'échangeur-réacteur, deux approches de modélisation ont été développées en considérant l'équilibre thermodynamique à la surface du catalyseur ou en tenant compte du couplage entre la réaction et les transferts de chaleur et de matière. La simulation de ces modèles a permis de proposer la géométrie des canaux qui correspond au design optimal. Deux méthodologies de design ont été développées ainsi qu'un modèle permettant d'interpréter les résultats expérimentaux en tenant compte de la possibilité du bouchage des canaux. L'échangeur-réacteur fabriqué permet de réduire le coût de production pour une unité fonctionnant sans export de vapeur