Etude expérimentale et numérique des transferts de matière externes dans différents réacteurs catalytiques triphasiques en régime ruisselant

Prediction of mass transfer performances in trickle-bed reactors equipped with innovative catalyst shapes

• Auteur / Autrice : Hanane Bouras
• Direction : Pascal Fongarland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés
• Date : Soutenance le 28/01/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques (CPE)
• Jury : Président / Présidente : Ivana Vinkovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Fongarland, Huai Zhi Li, Carine Julcour-Lebigue, Sophie Charton, Yacine Haroun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Huai Zhi Li, Carine Julcour-Lebigue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode VOF

Catalyse hétérogène

Transfert de masse

Réacteurs à lit fixe

Mots clés libres

CFD

Réacteurs gaz-liquide-solide

Réacteur en lit fixe ruisselant

Réacteur polyphasique

Catalyse hétérogène

Transfert de matière

Méthode Volume Of Fluid

Milli-réacteur

CFD

Gas-Liquid-Solid reactors

Trickle-Bed reactors

Multiphase reactor

Catalytic reaction

Mass transfer

Volume Of Fluid method

Milli-reactor

Résumé

Les réacteurs à lits fixes arrosés représentent un choix privilégié de contacteur triphasique pour plusieurs procédés industriels, particulièrement pour le raffinage pétrolier dans les procédés d’hydrotraitement. Communément nommés Trickle-Bed reactors, ces réacteurs sont traversés par le gaz et le liquide, qui s'écoulent à co-courant descendant au travers d’un lit fixe de catalyseur. Les performances de ces réacteurs sont liées aux couplages existants entre hydrodynamique, transferts (matière, chaleur et quantité de mouvement) et réaction catalytique. Malgré l'abondance de la littérature, la complexité de ces couplages et la différence des échelles impliquées complexifient la compréhension et la prédiction des phénomènes à l'échelle locale. En particulier, l’impact de la forme du catalyseur sur les paramètres hydrodynamiques ou de transport reste très peu connu. Dans ce contexte, ce travail a pour objectifs d'améliorer la compréhension de l’hydrodynamique et des phénomènes de transfert, d’étudier l’impact de la forme des grains sur les performances des trickle-beds, et d'évaluer la validité du modèle du film et des résistances en série pour décrire les transferts externes gaz-liquide et liquide-solide, tels que pratiqués communément dans la communauté. Pour ce faire, des outils de simulation numérique polyphasique ont été développés ainsi que des essais expérimentaux de validation dans un milli-réacteur catalytique de géométrie contrôlée. L’écoulement diphasique est résolu par une approche "Volume-Of-Fluid", qui permet de décrire finement l’évolution des interfaces gaz-liquide et liquide-solide. De plus, le transfert de matière externe gaz-liquide-solide est couplé à une réaction catalytique rapide. La modélisation CFD de l’hydrodynamique et du transfert gaz-liquide a été validée en premier lieu sur un film tombant bidimensionnel semi-infini. Les prédictions ont été fidèles aux solutions analytiques dédiées. Par la suite, le modèle a été confronté à des résultats obtenus en milieu réactif triphasique en réacteur micro-structuré à film tombant enduit de catalyseur hétérogène (Trouvieille et al [2013]). Là encore, Un très bon accord a été obtenu sur l’hydrodynamique et les flux de transfert de matière global lors de la réaction d’hydrogénation catalytique de l’α-methylstyrene en cumene. Pour confronter le modèle numérique à plus de complexité et se rapprocher de l’objet d’étude, celui-ci a été évalué pour étudier l’effet de la géométrie du catalyseur solide dans trois cas d’études: (i) un réacteur filaire constitué d’un chapelet de particules sphériques, (ii) un milli-réacteur structuré à plaques proposant l’empilement compact de demi-sphères et (iii) trois empilements de lits fixes arrosés conventionnels comprenant des sphères, trilobes et quadrilobes. Ces différents cas d’études ont permis d’améliorer la compréhension du transfert de matière externe et la consolidation de corrélations existantes. Dans ces trois cas d’étude, une accélération des transferts externes a été relevée et quantifiée pour les écoulements tortueux, celle-ci étant principalement due à l’apport convectif de soluté limitant. L’étude du transfert dans les trickle-beds pour différentes formes de grains a montré une amélioration des coefficients de transfert pour les particules à haut ratio surface sur volume comme les trilobes et quadrilobes. L’évaluation du modèle des résistances en série a montré que celui-ci n’était pas directement applicable à des fins prédictives principalement à cause des faibles épaisseurs de films liquides et de leur distribution. Ainsi, des corrections ont été proposées afin de prendre en compte la distribution des épaisseurs de film dans le modèle. Enfin, Les effets de débit gaz et de forme de grains sur le mouillage partiel des surfaces solides ont été simulés dans des conditions de procédé réelles, permettant de revisiter la corrélation du taux de mouillage proposée par Julcour-Lebigue et al. [2009] sur des trickle-beds.

Trickle-bed reactors (TBR) are considered the best gas-liquid-solid contactors technology in a wide application spectrum, they are usually encountered in the petroleum industry to perform hydrotreatment operations. Within these reactors, gas and liquid flow co-currently downward throughout a fixed bed of catalyst particles. The performance of trickle-bed reactors is very much dependent on the coupling between hydrodynamics, transports (mass, heat and momentum) and heterogeneous catalytic reaction. Despite the vast collection of contributions in the literature, the coupled mechanisms involved within these reactors are intricate, therefore complicating prediction and understanding at the local scale. More particularly, attention is yet to be attributed to particle shape effect on hydrodynamics and mass transfer. In this context, the objectives of this work is to improve understanding of hydrodynamics and mass transfer, to study particle shape effect on TBRs performance, and to assess the applicability of film and resistances-in-series models to describe gas-liquid-solid mass transfer. To do so, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model has been developed and validated in several configurations. In addition, an experimental investigation of gas-liquid-solid mass transfer in reactive conditions was conducted within a milli-reactor. The numerical model is based on the Volume-Of-Fluid approach, suitable to track and describe accurately gas-liquid and liquid-solid interfaces. In addition, Gas-liquid-solid mass transfer is coupled to a very fast heterogeneous catalytic reaction. The numerical model was first applied on a bi-dimensional falling liquid film over a semi-infinite plane. The predictions were found in an excellent agreement with appropriate analytical solutions. Afterwards, further CFD validation was conducted on a Falling Film Micro-structured Reactor (FFMR) used by (Trouvieille et al [2013]) to conduct mass transfer experiments. A great agreement was reached for both hydrodynamics and overall mass transfer in presence of α-methylstyrene hydrogenation to cumene. Following an increasing complexity strategy, the numerical model was applied to three other study cases: (i) spherical particles string reactor, (ii) 3D-printed milli-reactor and (iii) three trickle-bed loadings of spheres, trilobes and quadrilobes. The latter study cases provided insight on external mass transfer and consolidation of existing correlations. In addition, further numerical validation was conducted against collected experimental data in the 3D-printed milli-reactor. In the last three cases, acceleration of external gas-liquid-solid mass transfer was observed and quantified for tortuous flow paths. This behaviour is mainly due to convective supply of limiting reagent. Besides, investigation of mass transfer in trickle-bed loadings unveiled an enhancement of mass transfer coefficient for high surface-to-volume ratio particles, such as trilobes and quadrilobes. Concerning resistances-in-series model, it was found unsuitable to describe overall mass transfer due to low liquid film thicknesses and their distributions. Therefore, corrections and correlations based on the film model have been proposed to account for liquid film thickness distributions. Finally, effects of gas superficial velocity and particle shape on wetting efficiency were investigated in industrial flow conditions. Subsequently, an extension is proposed for the wetting efficiency correlation of Julcour-Lebigue et al. [2009], which was developed in trickle-bed reactors.