Mesure et caractérisation du transfert de chaleur dans les colonnes à bulles type slurry

Measure and characterisation of heat transfer in slurry bubble column reactors

• Auteur / Autrice : Pierre-Emmanuel Béliard
• Direction : Daniel Schweich
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/01/2011
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques (CPE)
• Jury : Président / Présidente : Christian Jallut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Luck, Nicolas Dromard, Marie Ropars, Patrice Clément
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Faïçal Larachi, Gabriel Wild

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fischer-Tropsch, Procédé

Coulis (matériau)

Mesure

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transfert de chaleur

Métrologie

Colonne à bulles

Slurry

Fischer-Tropsch

Heat transfer

Metrology

Bubble column reactor

Slurry

Fischer-Tropsch

Résumé

Ce travail concerne la mesure et la caractérisation du transfert thermique à la paroi externe d’un faisceau de tube de refroidissement inséré dans des colonnes à bulles type « slurry ». La valeur du coefficient de transfert de chaleur est estimée à partir des équations de la chaleur. Une colonne de 0,15 m de diamètre et de 4 m de haut, équipée de deux tubes en U (3 cm de diamètre externe), a été utilisée pour mettre au point la métrologie nécessaire. L’eau a servi de fluide de refroidissement. Le mélange diphasique air-huile Syltherm XLT®, puis le mélange triphasique air-huile Syltherm XLT®-microbilles d’alumine poreuses (dS ~ 80 μm), ont servi de fluides modèles. L’incertitude de nos mesures a été estimée à environ 8 %. En système diphasique, les variations du coefficient de transfert de chaleur avec la vitesse superficielle du gaz ont pu être corrélées par une loi semblable à celle de Deckwer (1980). Cependant, la valeur de la constante de corrélation semble dépendre de l’orientation du faisceau de tubes par rapport à l’axe de la colonne. Un tel comportement n’a jamais été rapporté dans la littérature. L’écart du faisceau à un faisceau idéal (i.e. parfaitement droit et symétrique) peut être un paramètre crucial pour le transfert de chaleur. En système triphasique, la valeur du coefficient ne varie pas de façon significative jusqu’à une concentration massique d’environ 18,8 %, avant de diminuer d’environ 10 % pour une concentration massique de 21,3 %. Ce résultat est surprenant. Les variations rapportées dans la littérature sont en effet souvent contradictoires, mais toujours continues dans la gamme de concentrations testée. La métrologie mise au point a été implantée dans une colonne de 1 m de diamètre et de 5 m de haut, équipée de 24 tubes en U (6 cm de diamètre externe). Celle-ci est jugée représentative d’un réacteur pour le procédé Fischer-Tropsch. Les premiers résultats indiquent que la caractérisation thermique de l’installation sera plus délicate que pour la petite colonne

This work investigates the measure and characterisation of heat transfer in slurry bubble column reactors equipped with a bundle of cooling tubes. The value of the shell-tube heat transfer coefficient is estimated at thermal steady-state regime using heat transfer equations. A 15 cm in diameter, 4 m high bubble column, equipped with a two U-tubes (3 cm O.D.) bundle has been used to assess the metrology selected. The cooling fluid was water. Air-Syltherm XLT® heat transfer fluid and air-Syltherm XLT® heat transfer fluid-porous alumina particles (dS ~ 80 μm) were successively used as shell fluids. The uncertainty of our measures has been estimated to be around 8 %. The variations of the shell-tube heat transfer coefficient with superficial gas velocity can be modelled using the well-known correlation by Deckwer (1980). However, a smaller constant value than indicated by Deckwer et al. (1980) was obtained and it was found to be dependent upon the orientation of the tube bundle relatively to the column axis. This has never been reported in the literature and implies that any difference relatively to the ideal tube bundle – perfectly straight and symmetric – might be critical for heat transfer. Addition of solid particles has little effect on heat transfer for solid concentrations below 18.8 %w/w. A further increase up to 21.3 %w/w induced a 10 % decrease of the value of the shell-tube heat transfer coefficient. This was surprising, as existing literature results display continuous variations of the heat transfer coefficient values in the range of solid concentrations tested, even though trends of variation could be opposite. The assessed metrology was implemented into a 1 m in diameter, 5 m high bubble column equipped with a 24 U-tubes (6 cm O.D.) bundle. This pilot plant was considered to be large enough to mock up a slurry bubble column reactor for the Fischer-Tropsch process. First results indicate that thermal characterisation will be more complex than for the smaller diameter column