Impact du chargement dans des milliréacteurs à lit-fixe G/S et G/L/S, avec et sans remplisseurs de porosité : études expérimentales et numériques

Impact of packing and porosity filler use in G/S and G/L/S packed bed millireactors : experimental and numerical studies

• Auteur / Autrice : Vittorio Petrazzuoli
• Direction : Yves Schuurman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 02/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Mélaz Tayakout
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Schuurman, Gianluca Boccardo, Dominique Toye, Hugues Bodiguel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gianluca Boccardo, Dominique Toye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert

Matière

Hydrodynamique

Catalyseurs

Réacteurs à lit fixe

Mots clés libres

Hydrodynamique

Dispersion axiale

Transfert de matière

Milli-lit fixe

Expérimentation à Haut Débit

Distribution de temps de séjour

Mécanique des fluides numérique

Hydrodynamics

Axial dispersion

Mass transfer

Millipacked beds

High Throughput Experimentation

Residence Time Distribution

Computational Fluid Dynamics

Résumé

Les réacteurs à lit fixe, des lits fixes d'un diamètre de quelques millimètres, sont de plus en plus utilisés pour la phase de « screening » du cycle de développement des catalyseurs. La possibilité d'utiliser ces réacteurs pour des études de prédiction des performances des catalyseurs (études cinétiques) est intéressante, mais elle nécessite une meilleure connaissance des caractéristiques hydrodynamiques dans ces réacteurs. Ce travail se focalise sur l'étude de l'hydrodynamique et transfert de matière de milli-lits fixes fonctionnant dans des conditions de flux descendant gaz-solide et gaz-liquide-solide co-courant, et remplis avec des particules millimétriques. Pour le cas gaz-solide, des expériences de distribution de temps de séjour (DTS) ont été réalisées pour caractériser l'hydrodynamique de ces réacteurs. Le modèle à dispersion axiale a été utilisé pour évaluer la quantité de dispersion. Ensuite, des simulations CFD avec OpenFOAM® ont été réalisées pour obtenir des informations locales sur l'évolution de l'écoulement dans les réacteurs milli-lits fixes, y compris la prédiction précise du nombre de Péclet à l'aide de simulations en régime stationnaire. Enfin, des expériences réactives gaz-solide sur le reformage du n-heptane et la déshydrogénation du méthylcyclohexane ont été réalisées pour étudier les propriétés de transfert de matière de ces réacteurs, et en particulier l'effet des remplisseurs de porosité (taille et forme). Pour le cas gaz-liquide-solide, des expériences de distribution de temps de séjour (DTS) et des observations d'écoulement ont été réalisées pour caractériser l'hydrodynamique des liquides dans ces réacteurs. Ensuite, des tests réactifs gaz-liquide-solide sur l’hydrogénation du α-methylstyrene ont été réalisés pour explorer l'effet des remplisseurs de porosité sur la conversion. Les principales conclusions sont que la valeur du rapport entre le diamètre du réacteur et celui des particules est cruciale et détermine les caractéristiques d'écoulement des milli-lits fixes en écoulement monophasique, et que l'utilisation des remplisseurs de porosité améliore l'hydrodynamique et le transfert de matière. Les simulations CFD se sont démontrées précises et plus rapides que les expériences pour prédire le nombre de Pe. Les résultats de la partie gaz-liquide-solide montrent que le régime d'écoulement est souvent pulsé et que la quantité de dispersion n'est souvent pas négligeable, mais cela peut être corrigé en utilisant des remplisseurs de porosité

Millipacked bed reactors, packed beds with reactor diameters of millimeters, are increasingly used for the screening phase of the catalyst development cycle. The possibility to use these reactors for catalysts performance prediction studies (i.e. kinetic studies) is quite attractive, but it requires a better knowledge of the flow characteristics in these reactors. This work focuses on the study of hydrodynamics and mass transfer of millipacked beds operated on gas-solid and gas-liquid-solid co-current downflow conditions and packed with millimetric particles. For the gas-solid case, residence time distributions (RTD) experiments have been performed to characterize the hydrodynamics of these reactors. The axial dispersion model has been used to evaluate the amount of dispersion. Then, CFD simulations with OpenFOAM® have been performed to obtain local information on the evolution of the flow in millipacked bed reactors, including accurate prediction of Pe numbers using steady-state simulations. Last, gas-solid reactive experiments on n-heptane reforming and methylcyclohexane dehydrogenation have been performed to study the mass transfer properties of these reactors, and in particular the effect of porosity fillers (size and shape). For the gas-liquid-solid case, residence time distribution (RTD) experiments and flow observations have been performed to characterize the liquid hydrodynamics in these reactors. Then gas-liquid-solid reactive tests on α-methylstyrene hydrogenation have been performed to explore the effect of porosity fillers on the conversion. The major findings are that the value of reactor/particle diameter ratio is crucial and determines the flow characteristics of millipacked beds in single-phase flow, and that the use of porosity fillers improves hydrodynamics and mass transfer. CFD simulations have proven to be accurate and faster than experiments to predict Pe numbers. The results from the gas-liquid-solid part show that the flow regime is often pulsed and the amount of dispersion often not negligible, but this can be corrected using porosity fillers