Un jumeau numérique pour des expérimentations in silico

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Les catalyseurs développés par IFPEN sont souvent mis en œuvre dans des réacteurs à lit fixe où leurs grains sont empilés de manière aléatoire. Pour leurs tests en unité pilote, un enjeu est de pouvoir garantir à moindre coût la représentativité, tout en éliminant les problèmes de répétabilité. Il s’agit alors de pouvoir proposer à coup sûr une configuration de réacteur satisfaisante.

Pour s’affranchir des incertitudes liées aux pratiques opératoires, il a été proposé de passer à des expérimentations virtuelles (in silico). Ont ainsi été développés des outils numériques capables de simuler, à l’échelle locale, les écoulements réactifs dans les réacteurs à lit fixe. Pour la finesse de maillage requise, et compte tenu des dimensions représentatives de nos systèmes, les puissances de calcul actuelles permettent de simuler nos réacteurs usuels d’environ 15 mm de diamètre.

La première étape d’un calcul est la simulation de l’empilement de catalyseurs, à l’aide du code Grains3D(1) (figure). La suivante consiste à calculer l’écoulement du fluide dans l’espace entre les grains, en utilisant le code PeliGRIFF(2) (figure).

Simulation d’un écoulement en réacteur à lit fixe
Simulation d’un écoulement en réacteur à lit fixe : empilement de catalyseurs (gauche) et champ de vitesse (droite).

Pour les calculs de transfert de matière et de chaleur, des solveurs ont été développés sur la base du logiciel libre OpenFOAM.

Grâce à ces développements, IFPEN dispose d’outils opérationnels pour réaliser des expérimentations virtuelles. Les premiers calculs incluant à la fois de la thermique et du transfert de matière ont confirmé la pertinence des choix techniques effectués.

Le travail en cours porte sur la recherche de critères sur les tailles de maille pour garantir la convergence numérique. À court terme, sont prévues la simulation de réacteurs encore plus petits et la définition d’un critère sur des effets de dilution du catalyseur.
 


(1) M. Rolland, A.D. Rakotonirina, A. Devouassoux, J. L. Barrios Goicetty, J. Y. Delenne & A. Wachs, (2019) Predicting average void fraction and void fraction uncertainty in fixed beds of poly-lobed particles. Accepted in IECR.

(2) F. Dorai, C. M. Teixeira, M. Rolland, E. Climent, M. Marcoux & A. Wachs, (2015). CES, 129, 180-192

 


Contact scientifique : matthieu.rolland@ifpen.fr

> NUMÉRO 36 DE SCIENCE@IFPEN