Des milli-réacteurs catalytiques plus performants : apport de l'hydrodynamique

Les réacteurs d’expérimentation à haut débit (EHD) sont de plus en plus utilisés en génie chimique pour le criblage des catalyseurs. La réduction de la taille de ces réacteurs catalytiques à lit fixe présente de nombreux avantages, avec moins de catalyseur et de réactifs utilisés, un meilleur contrôle de la température, des risques de sécurité minimisés et une quantité de déchets réduite. En outre, ces réacteurs peuvent facilement être mis en œuvre en parallèle (généralement 16 réacteurs, voire plus). Malgré ces nombreux avantages, le comportement de ces réacteurs varie beaucoup en fonction de certains paramètres (comme le rapport entre le diamètre des réacteurs et celui des particules) et il est important de bien comprendre ce type de dépendances pour garantir un fonctionnement optimal des procédés catalytiques. Un travail de thèse a permis de définir une chaîne de calcul capable de rendre compte du comportement de ces catalyseurs.

Une hydrodynamique régie par des chemins préférentiels

Le très petit rapport δ entre le diamètre des réacteurs EHD et celui des particules rend problématique l’extrapolation des résultats à des échelles plus grandes. Dans les lits catalytiques de ces réacteurs millimétriques, la disposition des particules s’effectue de manière non aléatoire, ce qui conduit à des distributions radiales non uniformes et à des fractions de vide plus élevées. Les chemins préférentiels sont prépondérants et régissent l’hydrodynamique. Le comportement axial de l’écoulement dans le réacteur est modélisé par une équation convection-dispersion 1D. Pour celle-ci, le coefficient de dispersion par rapport à un écoulement de type piston peut être introduit comme un nombre de Peclet¹ axial.

¹ Nombre comparant les forces convectives aux forces diffusives

Une approche basée sur la modélisation

Dans le cadre d’un travail de thèse [1], une approche totalement numérique a été déployée pour étudier le cas d’écoulements monophasés dans des lits fixes de particules sphériques ayant de faibles rapports de diamètre réacteur-sphère (δ < 4). L’empilement des particules a été calculé au moyen de l’outil interne DEM Grains3D et la bibliothèque OpenFOAM a été utilisée²  pour calculer les écoulements et déduire un nombre de Peclet local à partir des moments des âges³.  

² En utilisant le solveur stationnaire simpleFoam, augmenté par la résolution des équations du moment des âges jusqu’au deuxième ordre (Voir Liu et Tilton, AIChE J. 56, 2010)
³ C’est-à-dire à partir des temps de séjour des particules fluides (premier moment), et de leur variance (second moment)
 

De possibles impacts sur les performances du procédé

La figure 1 illustre un résultat important de ce travail, à savoir une diminution du nombre de Peclet pour certaines valeurs de la gamme des faibles rapports δ, avec de possibles conséquences sur le taux de conversion du procédé catalytique [3]. Ceci s’explique par la formation d’arrangements ordonnés des particules, conduisant à des passages préférentiels pour le fluide et donc à un moindre temps de contact entre le fluide et le catalyseur. 

Des résultats de simulation fidèles à la réalité

De plus, les résultats obtenus grâce à la chaîne de calcul mise en place se comparent de manière très satisfaisante aux bases de données expérimentales [2], en particulier lorsque la diffusion moléculaire ou la vitesse superficielle varient. La même chaîne de calcul pourrait être employée facilement pour d’autres formes de catalyseurs.

Références:

[1] V. Petrazzuoli, Impact of packing and porosity filter use in G/S and G/L/S packed bed millireactors:experimental and numerical studies, Thèse de doctorat de l’université de Lyon, soutenue le 02/12/2020.
[2] V. Petrazzuoli, M. Rolland, V.Sassanis, V. Ngu, Y. Schuurman, L. Gamet, Numerical prediction of Péclet number in small-sized fixed bed reactors of spheres, Chemical Eng.ineering Science, 240, 2021.
[3] V. Petrazzuoli, M. Rolland, A. Mekki-Berrada, O Said-Aizpuru, Y. Schuurman, Choosing the right packing in millipacked bed reactors under single phase gas flow, Chemical Eng.ineering Science, 231, 2021.
 

Contact scientifique : lionel.gamet@ifpen.fr