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Catalyse et Séparation

Réacteurs catalytiques à lit fixe industriels : en partant du nano

Les procédés catalytiques à lit fixe conçus par IFPEN sont employés dans un grand nombre de procédés d’hydrotraitement des coupes pétrolières.

La capacité à anticiper leurs performances constitue donc un atout concurrentiel pour dimensionner au plus juste les équipements et réduire leurs coûts (CAPEX). Ceci nécessite de savoir modéliser de façon couplée les divers phénomènes en jeu, physiques et chimiques, aux différentes échelles, depuis le site actif jusqu’au lit catalytique.

La démarche adoptée repose sur des approches locales de modélisation, suivies d’une intégration à des échelles supérieures, jusqu’à celle du réacteur. Le modèle global peut alors servir aussi bien à de la conception innovante (par exemple dans une démarche d’intensification de procédés) qu’à de l’analyse préventive, sur les conséquences d’un dysfonctionnement.

À l’échelle du site actif des catalyseurs, des modèles microcinétiques sont développés afin d’intégrer les phénomènes d’adsorption compétitive entre espèces et les réactions chimiques élémentaires qui s’y produisent.

Par la prise en compte de réseaux réactionnels très complexes, l’approche microcinétique permet ensuite de déterminer un ou plusieurs modèles macroscopiques qui résument les chemins réactionnels les plus probables. Les paramètres cinétiques ab initio sont alors déterminés à partir de calculs de modélisation moléculaire.

À l’échelle du grain de catalyseur, la modélisation des écoulements alentour permet d’estimer le taux de mouillage, puis de déterminer son impact sur l’efficacité réactionnelle effective du catalyseur, à l’aide de modèles de grains 2D.

À l’échelle du lit catalytique, des modèles basés sur des réseaux de pores et des calculs CFD, par une approche Volume of Fluid, permettent de prédire la répartition des écoulements dans le lit (cf. figure). Ces modèles sont alimentés par des données expérimentales obtenues dans des réacteurs de diamètres variables (1 à 60 cm), au moyen d’instrumentations de pointe tels que l’IRM, la tomographie à rayons γ, les sondes optiques.

À l’échelle globale du réacteur, une méthodologie d’étude de la stabilité thermique des réacteurs a en outre été développée. Cette méthode permet de construire des cartes de stabilité et d’ajuster les dimensionnements et les conditions opératoires pour assurer un fonctionnement sans risque des réacteurs catalytiques industriels.

 

Contact scientifique :  jean-marc.schweitzer@ifpen.fr

Article paru dans Science@ifpen n° 18 - Octobre 2014

Publications

  • F. Augier, A. Koudil, A. Royon-Lebeaud, L. Muszynski, Q. Yanouri, Numerical approach to predict wetting and catalyst efficiencies inside trickle bed reactors. Chem. Eng. Science, 2010, 65, 1, 255-260.
    >> DOI: 10.1016/j.ces.2009.06.027
  • J.-M. Schweitzer, C. Lopez Garcia, D. Ferre, Thermal runaway analysis of a three-phase reactor for LCO hydrotreatment. Chem. Eng. Science, 2010, 65, 1, 313-321. Volume 65, Issue 1, 1 January 2010, Pages 313–321
    >> DOI:10.1016/j.ces.2009.07.012

 

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