Les mousses solides, à base de métaux ou de céramiques, sont des structures poreuses dont l’usage est relativement nouveau dans le domaine des procédés chimiques, et qui sont étudiées à IFPEN depuis quelques années déjà.
De par leur texture 3D, constituée d’une multitude de cavités sphériques juxtaposées (familière dans le domaine de la catalyse hétérogène), ces structures présentent un fort taux de porosité (environ 70-80 %) et une grande surface spécifique. Ceci leur confère a priori de très bonnes performances de transfert externe, que ce soit de chaleur ou de matière. Elles semblaient donc adaptées à des réactions chimiques rapides et fortement exothermiques, telles que des hydrogénations sélectives ou des réactions d’oxydation du méthane. Ceci a ainsi fait l’objet de travaux spécifiques dans le cadre d’une collaboration avec l’université polytechnique de Turin [1], qui ont permis de caractériser le transfert de matière dans des mousses à cellules ouvertes ou OCF « Open Cell Foams ».
L’utilisation des OCF a été envisagée par la suite pour la captation de particules en tête de réacteurs d’hydrotraitement pour des charges non conventionnelles (huiles végétales, plastiques recyclés) et a fait l’objet d’un travail doctorala mené en collaboration avec la même université. Le mécanisme de filtration à l’intérieur de galets de mousse a été simulé par la méthode CFD Euler-Lagrange, en utilisant les codes OpenFoam® et Ansys Fluent (Figure 1 gauche) [2], ce qui a permis de déterminer précisément quels descripteurs morphologiques de la mousse impactent l’efficacité de la filtration.
En parallèle, des essais de captation ont été menés au moyen d’un dispositif expérimental dédié, afin de quantifier l’efficacité de la filtration (hauteur caractéristique de filtration) dans des conditions représentatives d’écoulements ruisselants Gaz-Liquide sur des empilements de galets de mousse industriels.
De nombreuses analyses ont aussi été menées par Tomographie-Xb pour caractériser le colmatage en mesurant le taux de bouchage des alvéoles sur des mousses usagées, récupérées sur des réacteurs industriels (Figure 2).
En complément, des expériences de colmatage ont été menées au laboratoire, en faisant circuler à travers des galets de mousses un fluide dopé en particules de fer.
Les résultats des expériences de captation et de colmatage de mousses ont été modélisés et intégrés à un simulateur 1D macroscopique de prédiction des performances de captation applicable aux réacteurs catalytiques industriels. Ce modèle global de captation a été validé avec succès, lors de comparaisons avec des expériences menées sur maquette froide et avec des données et bilans matière issus d’unités industrielles.
En définitive, l’ensemble des travaux menés à IFPEN sur les mousses céramiques ou métalliques a montré l’intérêt de ces structures à la fois comme supports catalytiques à hautes performances de transfert(s) et pour réaliser de la captation à très haute capacité. Le savoir-faire acquis durant ces différents travaux ouvre des perspectives en termes d’intensification de certaines réactions rapides, et également en termes d’innovation sur les matériaux de filtrations (OCF) aux géométries optimisées.
a- Thèse de Enrico Agostini, Fluid dynamics and mass transfer in porous media: Modelling fluid flow and filtration inside open-cell foams, 2023.
b- En collaboration avec la Direction Physique et Analyse d’IFPEN.
Références :
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Carmen W. Moncada Quinter, Hernan G. Mazzei, Marion Servel, Frédéric Augier, Yacine Haroun, Jean-François Joly, Stefania Specchia, Investigating mass transfer coefficients in lean methane combustion reaction through the morphological and geometric analysis of structured open cell foam catalysts, Chemical Engineering Science, Volume 281, 5 November 2023, 119138.
>> https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.119138
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Enrico Agostini, Gianluca Boccardo, Daniele Marchisio, An open-source workflow for open-cell foams modelling: Geometry generation and CFD simulations for momentum and mass transport, Chemical Engineering Science, Volume 255, 29 June 2022, 117583.
>> https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117583
Contact scientifique : Frédéric Augier