Use of CFD for the extrapolation of attrition and hydrodynamic phenomena in circulating fluidized beds

par Benjamin Amblard

Thèse de doctorat en Génie chimique

Sous la direction de Thierry Gauthier.

Soutenue le 21-07-2020

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de IFP Energies Nouvelles (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Lance.

Le jury était composé de Thierry Gauthier, Pascal Fede, Raffaella Ocone, Ray Cocco, Sabine Rode.

Les rapporteurs étaient Pascal Fede, Raffaella Ocone.

  • Titre traduit

    Utilisation de la CFD pour l'extrapolation des phénomènes d'attrition et hydrodynamique pour les lits fluidisés circulants


  • Résumé

    L’extrapolation de l’échelle laboratoire à industrielle est un challenge pour les procédés en lit fluidisé circulant. L’extrapolation consiste dans une première étape à la compréhension des phénomènes physiques sur des expérimentations dédiées. Dans une deuxième étape, la modélisation est souvent utilisée pour transposer les observations effectuées à échelle laboratoire à une perspective industrielle. Dans ma thèse, nous présentons comment les outils de simulation numériques des écoulements (CFD) peuvent être utilisés dans ces deux étapes. Concernant la première étude, il est essentiel dans le développement de procédé en lit fluidisé circulant, de quantifier l’attrition des particules à l’échelle industrielle. Nous avons rencontré ce type de problématique lors du développement du procédé de combustion en boucle chimique (CLC) pour le choix des particules porteuses d’oxygène. Nous proposons une nouvelle méthode utilisant un dispositif expérimental de caractérisation de l’attrition pour comparer la résistance mécanique des particules du procédé CLC avec les particules du procédé de craquage catalytique FCC. Les particules FCC sont utilisées comme référence puisque des données d’attrition sont disponibles à échelle laboratoire et industrielle. Nous avons ensuite utilisé la CFD pour la caractérisation de l’écoulement dans notre dispositif expérimental afin d’orienter notre stratégie de test. La méthodologie expérimentale développée montre ensuite que les porteurs d’oxygène frais et d’équilibre ont respectivement une meilleure et moins bonne performance comparés au catalyseur FCC de référence. Cette méthodologie peut être utilisée dans le futur pour évaluer d’autres porteurs d’oxygène. La perspective de ce travail est la corrélation des phénomènes d’attrition sur pilote aux phénomènes d’attrition générés par les principales sources dans les procédés en lit fluidisé circulant (cyclone, jet) afin d’implémenter un modèle de population pour la prédiction quantitative de l’attrition dans les unités industrielles. Dans la deuxième étude, nous proposons une stratégie afin d’évaluer les capacités d’extrapolation des modèles CFD et aussi d’évaluer leurs limites de représentativité des différents régimes de fluidisation. Différentes expérimentations ont été utilisées avec des lits fluidisés turbulent de 20 cm et 90 cm de diamètre et un riser de 30 cm de diamètre pour la caractérisation du régime de transport. Dans tous les tests, des catalyseurs FCC avec des propriétés physiques similaires ont été utilisés. Des données de caractérisation locale et globale des écoulements ont été recueillies pour l’évaluation de deux approches CFD: l’approche MP-PIC avec le logiciel Barracuda VR® et l’approche Euler/Euler KTGF avec le logiciel openFOAM. Dans la première étape, nous avons développé pour chaque approche un modèle de force de traînée pour obtenir des prédictions satisfaisantes de l’hydrodynamique du lit fluidisé de 20 cm. Dans l’étape suivante, les modèles CFD développés ont été appliqués pour la simulation du lit fluidisé de 90 cm. Cette étape a permis de mettre en évidence la différence entre les deux modèles; les prédictions de Barracuda VR® ont échoué à prédire l’hydrodynamique du lit alors que les simulations openFOAM donnent des résultats satisfaisants. Cette étape justifie l’évaluation des modèles CFD à différentes échelles et elle démontre la possibilité de prédire les effets d’extrapolation avec ces outils. Dans la dernière étape, le modèle développé avec le logiciel openFOAM a été appliqué pour la simulation du régime de transport en riser. Les résultats obtenus sont insatisfaisants et un nouveau modèle corrélatif de force de traînée a ensuite été développé avec succès. Cette étape démontre l’importance d’évaluer les limites des modèles développés. Pour perspective, une stratégie similaire peut être utilisée afin d’évaluer la prédiction des effets de température et pression avec pour objectif final de simuler un réacteur industriel


  • Résumé

    Extrapolation from lab to industrial scale is challenging when dealing with Circulating Fluidized Bed (CFB) processes and technologies. Extrapolation relates in a first step, to the understanding of physical phenomena at accessible scales through dedicated experiments. In a second step, modeling is often used to transpose observation from lab scale to an industrial perspective. In my Ph.D. project, we present how Computational Fluid Dynamic (CFD) tools can be used for both steps with first the characterization of local phenomena at lab scale and second for the scale extrapolation of hydrodynamic phenomena. Concerning the first topic, it is essential in the early stage of the process development, to quantify attrition phenomena expected at industrial scale when selecting the solid particles to be used. We faced this situation during the development of the Chemical Looping Combustion (CLC) process with the choice of the oxygen carrier particles. We then proposed a new procedure using a jet cup apparatus to compare the mechanical resistance to attrition of particles used in the CLC process with particles used in the Fluid Catalytic Cracking (FCC) process. The latter is then used as a reference since attrition data are available both at lab and industrial scales for FCC catalyst. We used CFD tools for the understanding of local physical phenomena to then orientate the experimental strategy to compare the mechanical resistance to attrition of the different powders of interest (equilibrium FCC catalyst and fresh and equilibrium oxygen carriers). The results obtained showed that the fresh and equilibrium oxygen carriers performed respectively better and worse than the reference FCC catalyst. This experimental procedure can therefore be used in the future to evaluate the mechanical resistance of other oxygen carriers. The main perspective is then to correlate lab scale experimentation with the main sources of attrition in CFBs for finally implementing a population balance modeling to assess attrition at industrial scale.Concerning the second topic on hydrodynamic phenomena extrapolation, we propose a simulation strategy in order to assess the CFD models extrapolation capability and their potential limits in term of fluidization regimes representativeness. For this purpose, different experimental set ups were used with a 20 cm and 90 cm turbulent fluidized beds and a 30 cm riser to characterize transport regime conditions. In the three experiments, FCC catalysts with similar physical properties were used. Local and global experimental flow characterizations were acquired to then evaluate the predictions of two CFD approaches: the Multiphase Particle In Cell (MP-PIC) approach with the software Barracuda VR® and the Euler/Euler with the Kinetic Theory of Granular Flows using openFOAM. In the first step, we developed dedicated drag laws to get satisfactory hydrodynamic predictions of the 20 cm fluidized bed hydrodynamic. In the next step, the CFD model parameters developed were applied for the 90 cm fluidized bed simulation. This step was crucial since it was a differentiator between both approaches with the parameters developed for Barracuda VR® failing to predict the bed hydrodynamic while the parameters developed for openFOAM gave satisfying results. These results justify the evaluation of CFD models at different scales and also show that CFD can be used for extrapolation. In the last step, the openFOAM modeling parameters developed were applied for the simulation of the riser transport regime. The simulation failed capturing the riser hydrodynamic and a dedicated drag law was then developed to capture reasonably well these riser experimental data. These results show the importance of investigating the limits of the models developed. For the perspectives, the same strategy could be applied for the predictions of pressure and temperature effects with the final objective being to simulate an industrial fluidized bed


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