Conceptions optimales de réacteurs à lit fixe par fabrication additive

Optimal design of fixed-bed reactors by additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Alexis Courtais
• Direction : François Lesage, Abderrazak Latifi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 15/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Yannick Privat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Chachuat, Brahim Benyahia, Marcela Gabriela Szopos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Chachuat, Brahim Benyahia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multivariée

Modélisation CFD

Prototypage rapide

Ingénierie assistée par ordinateur

Réacteurs à lit fixe

Mots clés libres

Optimisation de forme

Réacteurs à lit fixe

Fabrication additive

Mécanique des fluides numériques (CFD)

OpenFOAM

Optimisation multicritère

Shape optimization

Fixed-bed reactor

Additive manufacturing

Computational fluid dynamics (CFD)

OpenFOAM

Multi-objective optimization

Résumé

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.

This thesis is a prospective work which aims to apply in Chemical Engineering shape optimization methods developed in other areas of engineering. The first part of this work is dedicated to the development of a shape optimization method to determine the optimal configuration of a two-dimensional packed reactor with a single phase liquid flow. The developed method is then applied to determine the shape of the reactor packing that minimizes the energy dissipation in the fluid due to viscous friction, the average outlet concentration of reactant, or both simultaneously using multi-objective optimization. The optimal configurations determined are satisfactory and allow a significant improvement of the conversion rate or the energy losses in the reactor. In a second part, an experimental campaign was carried out in order to validate the CFD simulation performed by OpenFOAM software, required by the developed shape optimization approach and modeling the fluid flow and reactions involved in the reactor. For this purpose, scale 1 prototypes of the initial and optimal reactors have been manufactured by 3D printing in order to experiment them. The experimental campaign is based on 3 measurement techniques, the PIV (Particle Image Velocimetry), the measurement of RTD (Residence Time Distribution) and the measurement of the conversion rate at the reactor outlet. Finally, it has been shown that the optimization of the reactor in its 2D form allows a significant improvement of its performance even if the determined configuration is probably sub-optimal. Indeed, after comparing the experimental measurements with 2D and 3D simulations, it has been found that the 3D simulation is more representative of reality than the 2D simulation. Thus, optimizing the reactor in its 3D form would be an interesting perspective for the future works, provided the problem of constraints related to the reactor additive manufacturing step is fixed.