Modélisation thermique et hydrodynamique d'un réacteur plasma triphasé : contribution à la mise au point d'un procédé industriel pour la fabrication de noir de carbone

• Auteur / Autrice : Benjamin Ravary
• Direction : Laurent Fulcheri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : ENSMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Arc électrique

Noir de carbone

Résumé

Le noir de carbone dont la production mondiale s’élève à 6 millions de tonnes par an est aujourd'hui presque exclusivement produit par un procédé de combustion incomplète particulièrement polluant. Le craquage d'hydrocarbures par plasma constitue une alternative écologique et flexible, qui a fait l'objet de plusieurs travaux de recherche. Le projet initié par l’École des Mines de Paris, a permis de réaliser un réacteur pilote à plasma d'arcs triphasés de 100 kW et de démontrer la faisabilité du procédé. La modélisation hydrodynamique du pilote s'inscrit dans le cadre de la caractérisation et de l’amélioration du procédé en cours de développement. L'analyse de l’écoulement a montré que les arcs triphasés constituent le principal moteur de l’écoulement. Ils transmettent l’énergie électrique et leurs interactions électromagnétiques conduisent à un mouvement d'ensemble centrifuge observé à la caméra rapide. Les forces de Lorentz ont été évaluées, en supposant des petites déformations des arcs. Elles ont été moyennées et introduites sous forme d'un terme source de quantité de mouvement, dans une zone spécifique du modelé hydrodynamique. Ce modèle est construit à l'aide du code de dynamique des fluides numériques fluent. Il inclut le rayonnement entre les parois et différents modèles de turbulence ont été testés. L'influence des paramètres de réglage du réacteur (nature du gaz plasma, débit et puissance électrique) a été étudiée numériquement. Le principal paramétre libre du modèle est la conductivité des parois. Le modèle a été validé par des mesures de pertes calorimétriques et de températures de parois, obtenues grâce à l'instrumentation du pilote qui est présentée. Il a été utilisé pour identifier les meilleures conditions, en termes de mélange et d'isolation, lors de l'injection radiale depuis la paroi, d'un gaz froid de même nature que le plasma.