Simulation à grands échelles du processus de vapocraquage dans les fours de raffinerie
Auteur / Autrice : | Sreejith Nadakkal Appukuttan |
Direction : | Bénédicte Cuenot, Eleonore Riber |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Energétique et Transferts |
Date : | Soutenance le 12/01/2022 |
Etablissement(s) : | Toulouse, INPT |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse) |
Jury : | Président / Présidente : Frédérique Battin-Leclerc |
Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Frédérique Battin-Leclerc, Gilles Theis | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Ronan Vicquelin, Tapan Kumar Sengupta |
Mots clés
Résumé
Il y a eu une augmentation considérable de la production d'éthylène au cours des dernières décennies, ce qui a mis l'accent sur les procédés de vapocraquage et dans le but d'améliorer son efficacité. Cette étude, réalisée dans le cadre du projet IMPROOF, vise à atteindre cet objectif.Large Eddy Simulation (LES) - est à un stade suffisamment mature pour être utilisé dans la conception et l'optimisation des processus dans les équipements industriels. Cependant,l'application de LES pour étudier les équipements à grand débit est toujours un défi technique en raison du coût de calcul élevé résultant de la rigidité numérique. Dans cette étude, un nouveau schéma de pas de temps local basé sur une chimère est développé pour accélérer les solveurs LES basés sur une intégration temporelle explicite et appliqué (pour la première fois) pour étudier l'écoulement réactif à l'intérieur d'un four de vapocraquage. Cette nouvelle technique numérique est étudiée pour ses propriétés numériques à l'aide de l'analyse spectrale globale (GSA) et l'impact du pas de temps local sur la précision et la résolution du schéma numérique de base est analysé. L'accélération obtenue à l'aide de cette méthode est également déterminée à l'aide de simulations d'écoulement canoniques 2D et 3D non réactives ainsi que réactives. La prédiction numérique de la combustion à l'intérieur d'un vapocraqueur comporte ses propres défis. Bien que les mécanismes chimiques détaillés ne soient pas utilisés dans les simulations en raison de leur coût élevé, les mécanismes chimiques globaux simples ne sont pas assez précis pour prédire avec précision la structure et les propriétés de la flamme. Dans cette étude, des équations detransport d'espèces sont utilisées avec un mécanisme chimique analytiquement réduit (ARC). Ces mécanismes chimiques sont réduits à partir d'un mécanisme détaillé mis à jour à l'aide de la technique de graphe relationnel dirigé avec propagation d'erreurs (DRGEP) et d'hypothèses d'état quasi-stationnaire (QSS). Le mécanisme réduit est validé par rapport au mécanisme détaillé et les mesures expérimentales s'avèrent être en excellent accord pour toutes les propriétés de flamme d'intérêt dans cette étude. Le transfert de chaleur radiatif est le mode prédominant de transfert de chaleur dans les fours de vapocraquage et ne peut donc pas être évité dans les simulations de four réalistes. Dans cette étude, le solveur LES (avec la technique d'accélération nouvellement développée) est couplé à un solveur d'équation de transfert radiatif (RTE) pour effectuer une simulation LES-RTE couplée. L'approche est validée avec des données expérimentales d'une flamme de diffusion et les données expérimentales et numériques sont en bon accord les unes avec les autres. Enfin, toutes ces méthodologies sont appliquées simultanément pour étudier l'écoulement réactif se produisant dans la partie feu d'un four de vapocraquage. La technique d'accélération LES accélère les calculs tandis que le mécanisme ARC aide à prédire les réactions de combustion de manière précise. Les effets de transfert de chaleur radiatif sont inclus en couplant le solveur LES avec le solveur RTE comme mentionné précédemment. Des simulations LES instationnaires de la combustion se produisant à l'intérieur du foyer sont réalisées. Les données calculées et mesurées pour la température et le flux de chaleur sont en étroite concordance les unes avec les autres. Les ERP d'un tel four démontrent des informations révélatrices sur le mécanisme de stabilisation de la flamme et les propriétés moyennes de la flamme telles que sa forme et sa longueur et sont discutées dans cette thèse. Cette étude se veut un démonstrateur technologique en abordant trois des principaux défis de la modélisation numérique des fours de vapocraquage. En relevant ces défis, on espère que la communauté pétrochimique fera un pas de plus vers l'utilisation des LES pour leurs processus de conception et d'analyse dans un avenir proche.