Étude expérimentale de la maldistribution des fluides dans un réacteur à lit fixe en écoulement à co-courant descendant de gaz et de liquide, Experimental investigation of maldistribution of fluids in trickle-bed reactors

Juan David Llamas

Description

Sous la direction de Gabriel Wild, François Lesage
Thèse soutenue le 01 février 2008: INPL
Trois techniques de mesure différentes ont été utilisées pour étudier la distribution des fluides dans un lit fixe : la tomographie à fils, le collecteur de liquide et un ensemble de thermistances. La tomographie à fils, dont la première application dans le cadre des lits fixes est décrite ici, a permis, tout comme le collecteur de liquide, d’obtenir des résultats intéressants concernant l’influence de paramètres tels que la distribution initiale, le type de chargement et les débits de fluides sur la distribution du liquide. L’étude a notamment montré l’importance de bien définir la maldistribution de liquide en termes de la grandeur mesurée et a apporté un regard critique vis-à-vis des consensus généraux concernant l’effet sur la distribution de liquide de paramètres tels que le débit de gaz (dont les expériences ont montré qu’elle dépend du distributeur utilisé) et le type de chargement (l’hypothèse selon laquelle le chargement dense disperse mieux le liquide dans la direction radiale par rapport au chargement lâche n’a pas été vérifié). Une étude réalisée en régime à haute interaction a permis aussi d’observer la relation étroite qui existe entre la distribution initiale et le régime d’écoulement
-Lit fixe
-Régime ruisselant
-Trickle bed
-Régime pulsé
-Tomographie à fils
-Collecteur de liquide
-Thermistances
Three different measuring techniques were used to study the fluid distribution inside a trickle-bed reactor: the wire mesh tomography, the liquid collector and a set of thermistors. The liquid collector and specially the wire mesh tomography, whose first application in trickle bed reactors is described here, yielded interesting results concerning the influence of variables such as the initial liquid distribution, the loading method and the fluid flow rates on liquid maldistribution. Among the main observations, the study illustrates the importance of well defining liquid maldistribution in terms of the measured quantity and prompts to some caution when referring to some “normally accepted facts” like the advantages in terms of liquid distribution obtained when increasing the gas flow rate (which depends, according to this study, on the quality of initial liquid distribution) or when using a dense loading of the catalyst (the hypothesis according to which, compared with a sock loading, dense loading favors radial dispersion was not verified by the study). Also, a study performed under high interaction conditions showed the intimate relationship between the inlet distribution and the flow regime observed inside the reactor
-Fixed bed
-Thermistors
-Liquid collector
-Trickle bed
-Trickling flow
-Pulsing flow
-Wire mesh tomography
Source: http://www.theses.fr/2008INPL006N/document

Informations

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Extrait

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Département de formation doctorale en génie des procédés
Institut National Polytechnique de Lorraine École doctorale RP2E
Etude expérimentale de la maldistribution des fluides
dans un réacteur à lit fixe en écoulement co-courant
descendant de gaz et de liquide
THÈSE

Présentée et soutenue publiquement le 01/02/2008 pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
(Spécialité Génie des Procédés)
Par
Juan David Llamas
Ingénieur de l’Universidad de los Andes (Bogota – Colombie) et de l’Ecole Nationale
Supérieure en Génie des Technologies Industrielles (Pau – France)
Composition du jury :
Rapporteurs : M. C. BOYER, Docteur – HDR, Ingénieur (IFP – Lyon) M. F. LARACHI,
Professeur (Université de Laval, Québec)
Examinateurs : M. J-C. CHARPENTIER, Directeur de Recherches (CNRS – INPL) Mme.
C. DEROUIN, Docteur, Ingénieur (TOTAL, Gonfreville) M. F. LESAGE,
Maître de conférences (ENSIC – INPL) Mme. D. TOYE, Professeur
(Université de Liège) M. G. WILD, Directeur de Recherches (CNRS –
INPL)
Invité : M. P. LEROY, Ingénieur (TOTAL, Gonfreville)

Sommaire


Sommaire


SOMMAIRE...........................................................................................................................................I
TABLE DES FIGURES...................................................................................................................... IV
LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................................IX
NOMENCLATURE.............................................................................................................................. 1
INTRODUCTION GENERALE ......................................................................................................... 3
1 GENERALITES ............................................................................................................................. 5
1.1 INTRODUCTION ............................................................................................................................. 7
1.2 REGIMES D’ECOULEMENT............................................................................................................ 7
1.3 TAUX DE RETENTION DE LIQUIDE.............................................................................................. 11
1.4 DISTRIBUTION DU LIQUIDE ........................................................................................................ 12
1.4.1 GENERALITES SUR LA MALDISTRIBUTION DU LIQUIDE ............................................................. 12
1.4.2 TECHNIQUES POUR L’ETUDE DE LA DISTRIBUTION DU LIQUIDE................................................ 13
1.4.3 FACTEURS INFLUANT SUR LA DISTRIBUTION DU LIQUIDE......................................................... 15
1.5 CONCLUSION............................................................................................................................... 23
2 DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET TECHNIQUES DE MESURE...................................... 25
2.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................... 27
2.2 DISPOSITIF EXPERIMENTAL ....................................................................................................... 27
2.2.1 LE REACTEUR ............................................................................................................................ 27
2.2.2 LA DISTRIBUTION DES FLUIDES................................................................................................. 28
2.2.3 CONDITIONS OPERATOIRES 28
2.2.4 CATALYSEUR SOLIDE ET POROSITE........................................................................................... 29
2.3 TECHNIQUES DE MESURE ........................................................................................................... 30
2.3.1 LE COLLECTEUR DE LIQUIDE..................................................................................................... 31
2.3.2 LES THERMISTANCES ................................................................................................................ 31
2.3.3 LA TOMOGRAPHIE A FILS .......................................................................................................... 46
2.4 CONCLUSION............................................................................................................................... 54
i Sommaire

3 ETUDE DE LA MALDISTRIBUTION DU LIQUIDE EN REGIME STATIONNAIRE..... 55
3.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................... 57
3.2 EXPERIENCES PRELIMINAIRES AVEC LA TOMOGRAPHIE A FILS ............................................. 57
3.2.1 MESURES QUALITATIVES .......................................................................................................... 57
3.2.2 MANTITATIVES GLOBALES ...................................................................................... 59
3.2.3 MESURES QUANTITATIVES LOCALES ........................................................................................ 61
3.3 CONDITIONS EXPERIMENTALES EN REGIME STATIONNAIRE................................................... 62
3.4 INFLUENCE DU TYPE DE CHARGEMENT SUR LA DISTRIBUTION DE LIQUIDE........................... 64
3.4.1 DISTRIBUTEUR COMPLET 66
3.4.2 DISTRIBUTEUR EN CROIX .......................................................................................................... 73
3.4.3 DISTRIBUTEUR CENTRAL........................................................................................................... 78
3.5 EXTRUDES HYDROPHOBES ......................................................................................................... 90
3.5.1 DISTRIBUTEUR COMPLET 90
3.5.2 DISTRIBUTEUR EN CROIX 96
3.5.3 DISTRIBUTEUR CENTRAL 98
3.6 CONCLUSIONS ............................................................................................................................. 99
4 ETUDE DE LA MALDISTRIBUTION DU LIQUIDE EN REGIME TRANSITOIRE...... 101
4.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 103
4.2 ACQUISITION DES DONNEES..................................................................................................... 104
4.3 CARACTERISTIQUES GENERALES DES SIGNAUX MESURES..................................................... 104
4.4 FREQUENCE DES PULSATIONS.................................................................................................. 105
4.4.1 BILLES DE VERRE .................................................................................................................... 106
4.4.2 EXTRUDES CYLINDRIQUES POREUX ........................................................................................ 109
4.5 COEXISTENCE DE REGIMES D’ECOULEMENT A L’INTERIEUR D’UN LIT FIXE ....................... 110
4.6 CONCLUSIONS ........................................................................................................................... 117
5 INTRODUCTION AUX ETUDES DE SIMULATION NUMERIQUE................................ 119
5.1 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 121
5.2 MODELISATION 121
5.2.1 LOIS DE FERMETURE ............................................................................................................... 122
5.3 GEOMETRIE DU PROBLEME ET MAILLAGE ............................................................................. 123
5.4 CONDITIONS AUX LIMITES ET INITIALISATION....................................................................... 124
5.5 SIMULATION DES EXPERIENCES REALISEES EN LIQUIDE SEUL.............................................. 125
5.5.1 MAILLAGE.....................................................................................