Modélisation d'un réacteur de gazéification a lit fixe PDF Download
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Author: Alexandre Deydier
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Book Description
Dans le cadre d'une thématique générale du Laboratoire Thermique Energétique et Procédés de Pau consacré à l'étude et à la valorisation des déchets tels que la pyrolyse, la combustion et la gazéification, la thèse se focalise sur la modélisation des phénomènes de transports de masse, de quantité de mouvement et d'énergie en milieu multiphasique multiconstituant réactif dans le cas d'un réacteur de gazéification à lit fixe. La première étape de la modélisation consiste à décrire classiquement le mouvement de chacune des phases continues par les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de la chaleur. Bien qu'à cette échelle les mécanismes soient parfaitement décrits, le passage à la simulation impose une étape d'homogénéisation par prise de moyenne. Ce changement d'échelle, décrit dans ce travail, conduit à un système d'équations homogène à l'échelle locale. Ce modèle est appliqué au cas du procédé de gazéification de déchets de la société Europlasma nommé CHO-Power. Les simulations bidimensionnelles instationnaires du problème ont permis de mettre en lumière les différents mécanismes en présence au cours du procédé ainsi qu'un certain nombre de verrous dans l'obtention du chemin de convergence conduisant au régime permanent.
Author: Alexandre Deydier
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Dans le cadre d'une thématique générale du Laboratoire Thermique Energétique et Procédés de Pau consacré à l'étude et à la valorisation des déchets tels que la pyrolyse, la combustion et la gazéification, la thèse se focalise sur la modélisation des phénomènes de transports de masse, de quantité de mouvement et d'énergie en milieu multiphasique multiconstituant réactif dans le cas d'un réacteur de gazéification à lit fixe. La première étape de la modélisation consiste à décrire classiquement le mouvement de chacune des phases continues par les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de la chaleur. Bien qu'à cette échelle les mécanismes soient parfaitement décrits, le passage à la simulation impose une étape d'homogénéisation par prise de moyenne. Ce changement d'échelle, décrit dans ce travail, conduit à un système d'équations homogène à l'échelle locale. Ce modèle est appliqué au cas du procédé de gazéification de déchets de la société Europlasma nommé CHO-Power. Les simulations bidimensionnelles instationnaires du problème ont permis de mettre en lumière les différents mécanismes en présence au cours du procédé ainsi qu'un certain nombre de verrous dans l'obtention du chemin de convergence conduisant au régime permanent.
Author: Abdallah Amri
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Pages : 162
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Modélisation de la gazéification du bois par un mélange d'oxygène et de vapeur d'eau, appliquée à un réacteur en lit fluidisé, de façon progressive en quatre étapes : ensemble de réactions en équilibre thermodynamique ; réacteur continu parfaitement agite isotherme ; réacteur parfaitement agité complété par un modèle isotherme à 2 phases qui tient compte des phénomènes hydrodynamiques ; modèle "complet" qui prend en compte la zone de jet. Le modèle du réacteur parfaitement agité s'est avéré le plus indiqué pour l'intégration énergétique de la gazéification du bois dans la boucle de synthèse du méthanol. Détermination des conditions opératoires optimales de la gazéification
Author: Maxime Bellut
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Pages : 187
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Le but du présent travail était d'étudier le comportement d'un réacteur catalytique à lit fixe arrosé (RCLFA) lorsqu'il fonctionne en régime d'alimentation cyclique des réactifs, de comparer ses performances dans ces conditions à celles du fonctionnement en régime permanent, et de modéliser les performances du régime cyclique. L’étude bibliographique recense les corrélations disponibles pour l'évaluation des différents paramètres nécessaires à la modélisation d'un RCLFA, et fait l'état des connaissances actuelles sur le comportement des réacteurs chimiques lorsqu'ils fonctionnent en régime d'alimentation cyclique des réactifs. La réaction chimique choisie pour cette étude est l'oxydation du dioxyde de soufre par l'air, catalysée par du charbon actif. Le régime cyclique d'alimentation du réacteur consiste à couper périodiquement l'alimentation du réacteur en liquide, l'alimentation en gaz étant maintenue constante en débit et en composition. En régime permanent, la productivité passe par un minimum pour des valeurs intermédiaires de la vitesse superficielle du liquide: ceci met en évidence le phénomène déjà connu du mouillage partiel du catalyseur par le liquide. La comparaison statistique des productivités obtenues en régime permanent et en régime cyclique établi montre une augmentation de l'ordre de 20% de la productivité dans ce dernier cas. Le modèle à mouillage partiel que nous proposons décrit de façon satisfaisante les performances obtenues en régime permanent. Par contre, le modèle proposé pour la productivité moyenne du régime cyclique établi ne décrit pas correctement les résultats expérimentaux obtenus
Author: Isabelle Champon
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Le Power-to-SNG est un procédé permettant de stocker le surplus d'énergie électrique renouvelable sous forme de SNG (Substitute Natural Gas) via la réaction de méthanation de CO2, catalysée par un catalyseur solide. Dans le but d'une injection directe du SNG dans le réseau de gaz, il est nécessaire d'obtenir des taux de conversion élevés. Néanmoins, au cours du temps, le catalyseur se désactive et il est alors possible que le gaz produit ne respecte plus les spécifications d'injection dans le réseau de gaz. Dans ces travaux, une méthodologie est mise en place pour comprendre les principaux mécanismes de désactivation d'un catalyseur commercial (Ni/Al2O3) intervenant au sein d'un réacteur-échangeur milli-structuré à lit fixe afin de les modéliser. Elle consiste à aborder la désactivation du catalyseur sous un angle expérimental à différentes échelles. Un modèle cinétique ainsi que des lois de désactivation sont identifiés et sont par la suite implémentés dans un modèle de représentation du réacteur déjà existant. Finalement, les résultats de simulation sont confrontés aux résultats de désactivation expérimentaux obtenus à l'échelle du réacteur milli-structuré.
Author: Alexis Courtais
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Cette thèse est un travail prospectif qui vise à appliquer en Génie des Procédés des méthodes d'optimisation de forme développées dans d'autres domaines d'ingénierie. La première partie de ce travail est dédiée au développement d'une méthodologie d'optimisation de forme et à son implantation dans le logiciel libre OpenFOAM. Elle a ensuite été appliquée afin de déterminer la configuration optimale du garnissage d'un réacteur à lit fixe en deux dimensions en écoulement monophasique de liquide. La méthodologie développée est ensuite testée pour déterminer la forme du garnissage qui minimise la dissipation d'énergie dans le fluide due aux frottements visqueux, la concentration moyenne de réactif en sortie, ou les deux simultanément à l'aide de l'optimisation multicritère. Les configurations optimales déterminées sont satisfaisantes et permettent une amélioration significative de la conversion du réacteur ou de la perte d'énergie dans le fluide. Dans une seconde partie, une campagne expérimentale a été réalisée dans l'objectif de valider la modélisation CFD effectuée par le logiciel OpenFOAM, nécessaire à l'optimisation de forme et simulant l'écoulement et les réactions mises en jeu dans le réacteur. Pour cela, des maquettes à l'échelle 1 du réacteur initial et des réacteurs optimaux ont été fabriquées par impression 3D dans le but de les expérimenter. Les expériences s'articulent autour de 3 techniques de mesure, la PIV (Vélocimétrie par Image de Particules), la mesure de DTS (Distribution des Temps de Séjour) et la mesure de la conversion à la sortie du réacteur. Finalement, il a été montré que l'optimisation du réacteur sous sa forme 2D permet une amélioration significative de ses performances même si la configuration déterminée est sûrement sous-optimale. En effet, après avoir comparé les mesures expérimentales aux simulations en deux et trois dimensions, il a été constaté que la simulation 3D est plus représentative de la réalité que la simulation 2D. Ainsi, optimiser le réacteur sous sa forme 3D serait une perspective intéressante pour la suite à condition d'améliorer le traitement des contraintes liées à l'étape de fabrication additive des réacteurs.
Author: Farouk Soltana
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Pages : 147
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Ce travail est consacré à la modélisation et simulation de l'hydrodynamique et des transferts de matière liquide/paroi et de chaleur dans les réacteurs à lit fixe et à écoulement monophasique de liquide et diphasique (gaz-liquide) à co-courant vers le bas (RCLFA). En modélisation, l'approche utilisée est du type "bilans de populations", développée par Kashiwa et Rauenzahn (1994). Dans le but de fermer le système d'équations, plusieurs modèles phénoméno- logiques d'interactions fluides/solide et gaz/liquide sont utilisés. Dans le cas des réacteurs gaz/liquide à lit fixe et à écoulement à co-courant vers le bas, les simulations de l'hydrodynamique et du transfert de matière liquide/paroi sont effectuées en régime ruisselant et dispersé. En plus, de l'étude de ces deux régimes, la simulation du régime pulsé induit est traitée Toutes les simulations ont été réalisées à l'aide du code de calcul CFDLib. Les résultats obtenus sont comparés aux mesures expérimentales précédemment effectuées au laboratoire, et aux corrélations de la littérature. Enfin, en ce qui concerne le transfert de chaleur, la simulation d'un lit fixe et à écoulement monophasique est abordée notamment à l'aide des modèles à une et à de!Jx températures. Ces études ont donné lieu à des résultats encourageants, qui vont servir de base à de prochaines études dans le domaine des écoulements en lit fixe avec réaction chimique.
Author: MELAZ.. TAYAKOUT
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Pages : 145
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LES REACTIONS DE DESHYDROGENATIONS SONT THERMODYNAMIQUEMENT EQUILIBREES ET LE REACTEUR A MEMBRANE CATALYTIQUE (RMC) DEVRAIT, D'APRES LA LITTERATURE, PERMETTRE LE DEPLACEMENT DE CET EQUILIBRE. NOTRE OBJECTIF EST DE VERIFIER AVEC UNE MODELISATION ET DES EXPERIENCES LE BIEN-FONDE DES TRAVAUX ANTERIEURS. LES PORES CATALYTIQUES ETANT CONSIDERES COMME DES MICRO-REACTEURS, LES PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT SONT L'ALIMENTATION EN REACTIF ET UN RAPPORT ANALOGUE AU MODULE DE THIELE. L'ETUDE DE CES POINTS PAR UNE MODELISATION PEUT CARACTERISER L'INTERACTION TRANSPORT/REACTION. LE MODELE ETABLI SE TRADUISANT PAR UN SYSTEME D'EQUATIONS AUX DERIVES PARTIELLES NON LINEAIRES, NOUS AVONS PROCEDE A UNE ETUDE NUMERIQUE EN UTILISANT DEUX METHODES EN VUE SOIT D'UNE OPTIMISATION SOIT DE L'ESTIMATION DES PARAMETRES. CES PARAMETRES SONT LES COEFFICIENTS DE DIFFUSION EFFECTIFS DES CONSTITUANTS DANS LA MEMBRANE. UNE METHODE ORIGINALE D'ESTIMATION EST PROPOSEE. LA REACTION DE DESHYDROGENATION DU CYCLOHEXANE EST CHOISIE COMME APPLICATION. LE MODELE ETABLI, UNE FOIS VALIDE, PERMET UNE SERIE DE SIMULATIONS QUI MONTRE QUE L'EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE NE PEUT ETRE DEPLACE POUR LA CONFIGURATION DU CO-COURANT. LES AUTEURS DANS LA LITTERATURE N'OBSERVENT PAS DE DEPLACEMENT DE L'EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE MAIS UN DEPASSEMENT DE LA CONVERSION A L'EQUILIBRE D'UN LIT FIXE DONT L'ALIMENTATION EST EGALE A CELLE DU COMPARTIMENT DU RMC OU LE REACTIF EST INTRODUIT
Author: Stephan Gutsche
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Pour décrire le transfert de chaleur à l'intérieur d'un lit fixe traversé par un fluide, nous avons utilisé le modèle pseudohomogène à écoulement piston. Les paramètres du modèle sont: la conductivité thermique radiale effective qui décrit le transfert de chaleur au sein du lit et le coefficient de transfert de chaleur à la paroi qui décrit le transfert de chaleur entre la paroi du réacteur et le lit. Nous avons déterminé expérimentalement la conductivité thermique effective, la rétention de liquide et le coefficient de transfert de chaleur à la paroi à l'interieur d'un lit fixe traversé en cocourant ascendant par de l'eau et de l'azote. Dans le cas d'un écoulement monophasique de liquide, nous avons montré qu'expérimentalement que le profil de vitesse peut dévier considérablement de l'écoulement piston si les gradients radiaux de température sont élevés et si la dispersion radiale est faible. L’utilisation du modèle avec écoulement piston conduit dans ce cas à une dépendance apparente des paramètres de transfert de chaleur de la longueur du lit et de la puissance de chauffe appliquée. Un modèle simple à deux zones avec une vitesse plus importante à la paroi et une vitesse plus faible au sein du lit permet alors une meilleure représentation de nos profils de température expérimentaux. Nous avons comparé nos valeurs de la conductivité thermique effective avec celles prévues par les corrélations de la littérature. Le modèle de Schlunder décrit de façon satisfaisante nos résultats à condition que la vitesse réelle du liquide au sein du lit soit connue. L’échange radial plus élevé en écoulement biphasique gaz-liquide évite l'apparition d'un écoulement préférentiel à la paroi. Le modèle pseudohomogène à écoulement piston représente correctement les profils de température expérimentaux. Nous avons observé une forte influence du régime d'écoulement sur la conductivité thermique effective
Author: Houssame Boujjat
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The present thesis proposes to study a novel spouted bed solar reactor for biomass thermochemical gasification from laboratory to industrial scale by combining numerical simulations and lab-scale experimentations. The main objective is to provide new insights into the reactor operation in order to improve its performance, flexibility and industrial integration. A multiphysics numerical model of the reactor was developed using the Fluent© software for the simulation of solar steam gasification of wood particles. The model takes into account the two-phase solid/gas flow using the DPM (Discrete Phase Modelling) approach in interaction with radiation and chemistry. An experimental validation step at 1200°C showed Cold Gas Efficiencies higher than 1 thanks to the efficient valorization of solar energy and a Carbon Conversion Efficiency approaching 80%. The simulations provided key information on the particles solar conversion within the solar cavity and allowed to identify paths for improving the conversion. The use of inert bed materials as a heat transfer medium inside the cavity appeared judicious. This solution was examined both numerically using a granular Eulerian approach, and experimentally at 1200°C and 1300°C. A maximum relative improvement of the carbon conversion efficiency by 8% was this way achieved. The variability of solar energy is one of the critical obstacles hindering the scale-up of the technology. In order to ensure a continuous syngas production whatever the solar resource, the solar reactor was hybridized thanks to partial feedstock oxy-combustion. The study showed that the injection of a controlled amount of O2 is a relevant solution to overcome solar energy variability and to control the reactor temperature. A dynamic 0D model was then developed to predict the temperature and syngas production evolution at MWth scale according to two heating modes: solar-only and hybrid solar-combustion. Annual simulations were subsequently performed to predict reactor performance, reactants consumption and gas production volumes. These data were used to analyze the technical and economic feasibility of the process for the industrial production of hydrogen.
Author: César A.. Vergel Hernandez
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Pages : 311
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Cette étude consiste en une comparaison de la performance des réacteurs catalytiques à lit fixe avec écoulement de gaz et de liquide opérant dans différents sens d'écoulement. Du point de vue théorique, la comparaison est faite au niveau des différents paramètres hydrodynamiques et de transfert de matière. Un modèle du réacteur a été développé comme outil pour déterminer l'effet de chacun de ces paramètres sur la performance du réacteur. Expérimentalement, une comparaison entre les performances obtenues à co-courant ascendant et descendant a été faite. Ces essais ont été réalisés en unité pilote en utilisant comme réaction l'hydrogénation sélective du butadiène dans une coupe C4. La sélectivité obtenue dans la disposition à co-courant descendant est plus faible que pour le cas à co-courant ascendant, surtout pour les plus faibles vitesses de liquide étudiées. On montre que la dégradation de la sélectivité est principalement due aux problèmes de mauvaise distribution des fluides. Pour l'écoulement ruisselant, indépendamment d'un phénomène d'hystérésis qui a été mis en évidence, les problèmes de répartition sont liés à la structure même de l'écoulement. En effet, le liquide s'écoule sous forme de filets alors que dans certaines zones l'arrosage est imparfait
