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Expérimentation Procédés

Réacteurs d'unité pilote : alea cata est !

IFPEN mène des travaux de recherche pour améliorer et développer des catalyseurs pour les procédés du raffinage et de la pétrochimie.

Une grande partie des évaluations de performance des nouveaux catalyseurs est réalisée dans des réacteurs à lit fixe, où les grains de catalyseur sont empilés de manière aléatoire.

Se pose alors la question de l’influence de ces effets aléatoires :

  • sur la performance réactionnelle d’un réacteur de test,
  • et sur la représentativité des conditions opératoires vis-à-vis des procédés réels.

Cet effet pourrait être d’autant plus impactant que les essais sont conduits dans des réacteurs de plus en plus petits, pour des raisons à la fois de volume limité de matériau à tester et de coût opératoire. De plus, pour des raisons liées à l’hydrodynamique, la réduction de taille se fait davantage sur le diamètre que sur la longueur du réacteur, ce qui exacerbe le caractère non répétable des empilements, notamment le taux de vide, et ses conséquences éventuelles sur les réactions.

Il était donc nécessaire de mieux connaître l’influence de ces effets aléatoires d’empilement sur la fiabilité et la représentativité des résultats, et en contrepoint, sur les critères de conception conduisant à une performance réactionnelle répétable.

Des éléments de réponse sont fournis par des simulations numériques d’écoulement avec réaction dans des empilements aléatoires ou structurés.

Des calculs ont été réalisés sur un cas avec huit grains modèles de forme cylindrique.

Les résultats indiquent que les performances du réacteur, en termes de transfert de matière ou de conversion chimique, sont très dépendantes de l’agencement des grains lorsque la diffusion moléculaire n’est pas assez rapide pour uniformiser les profils de concentration induits par la réaction et par l’écoulement. Ceci tend à prouver une origine physique commune entre la sensibilité à l’empilement et celle gouvernant la limitation au transfert de matière externe.

Ces travaux se poursuivent dans le cadre de deux thèses, qui traitent respectivement :

  • de la caractérisation des empilements et de l’influence de leur structure sur les écoulements monophasiques, pour des lits de billes et cylindres ;
  • des effets intrinsèques de la forme des grains de catalyseur (trilobe, quadrilobe), à la fois sur la compacité des empilements, sur les écoulements et sur les réactions.

 

Contact scientifique :   matthieu.rolland@ifpen.fr

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

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