Simulation à grands échelles du processus de vapocraquage dans les fours de raffinerie

Large Eddy Simulation of the steam cracking process in refinery furnaces

• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Frédérique Battin-Leclerc, Gilles Theis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ronan Vicquelin, Tapan Kumar Sengupta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanisme d'action (biochimie)

Thèses et écrits académiques

Vapocraquage

Mots clés libres

Simulation à grands échelles

Vapocraquage

Pas de temps local

Chimies analytiquement réduites

Large eddy simulation

Steam cracking

Local time stepping

Analytically reduced chemistry

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.

There has been a tremendous increase in the production of ethylene over the last few decades,which has put tremendous focus on steam cracking processes and with an objective of improvingits efficiency. This study, performed as a part of IMPROOF (Integrated guided Model PROcessOptimization of steam cracking Furnaces) project, is intended towards attaining that goal. LargeEddy Simulation (LES)- is at a stage of being mature enough to be used in design andoptimization of processes in industrial equipments. However, the application of LES to study largeflow equipments is still a technical challenge due to the high computational cost arising fromnumerical stiffness. In this study, a novel, chimera-based, local time stepping scheme isdeveloped to speed up explicit time integration based LES solvers and applied (for the first time) tostudy the reactive flow inside a steam cracking furnace. This new numerical technique is studiedfor its numerical properties using Global Spectral Analysis (GSA) and the impact of local timestepping on the accuracy and resolution of the baseline numerical scheme is analyzed. The speedup obtained using this method is also ascertained with the help of canonical 2D and 3D nonreactiveas well as reactive flow simulations. Numerical prediction of combustion inside a steamcracker comes with its own challenges. While detailed chemical mechanisms are ruled out frombeing used in simulations due to its high cost, simple global chemical mechanisms are notaccurate enough to predict the flame structure and flame properties accurately. In this study,species transport equations are used with an analytically reduced chemical (ARC) mechanism.These chemical mechanisms are reduced from an up-to-date detailed mechanism using DirectedRelational Graph with Error Propagation (DRGEP) technique and quasi-steady state (QSS)assumptions. The reduced mechanism is validated with respect to the detailed mechanism andexperimental measurements is found to be in excellent agreement for all the flame properties ofinterest in this study. Radiative heat transfer is the predominant mode of heat transfer in steamcracking furnaces and hence cannot be avoided in realistic furnace simulations. In this study, theLES solver (along with the newly developed acceleration technique) is coupled with a radiativetransfer equation (RTE) solver to carry out a coupled LES-RTE simulation. The approach isvalidated with experimental data from an axisymmetric jet diffusion flame and the experimentaland numerical data is observed to be in good agreement with each other. Finally, all thesemethodologies are simultaneously applied to study the reactive flow occurring in the fire side of asteam cracking furnace. The LES acceleration technique speeds up the computations while ARCmechanism assists in predicting combustion reactions in an accurate manner. The radiative heattransfer effects are included by coupling the LES solver with the RTE solver as mentionedpreviously. Unsteady LES simulations of the combustion occurring inside the firebox is carried out.The computed and measured data for temperature and heat flux is found to be in close agreementwith each other. LES of such a furnace demonstrates revealing information on the flamestabilization mechanism and the mean flame properties such as its shape and length and arediscussed in this thesis. This study is intended to be a technology demonstrator by addressingthree of the core challenges in the numerical modeling of steam cracking furnaces. By addressingthese challenges, it is hoped that the petrochemical community is taking one step closer to usingLES for their design and analysis processes in the near future.