Le transfert de matière gaz-liquide-solide dans les réacteurs à lits fixes arrosés

De nombreux procédés catalytiques utilisent les réacteurs à lits fixes arrosés car ils présentent de nombreux avantages. Simples d’utilisation, ils ont de bonnes performances en termes de mise en contact des gaz, liquides et solides. Néanmoins des phénomènes complexes y sont à l’œuvre et pour les comprendre il est nécessaire de recourir à la mécanique des fluides numérique. Un travail de thèse a permis d’obtenir des résultats en accord avec les observations.

Une conception d’apparence simple qui cache une grande complexité

En raison de leur conception relativement pratique et de leur facilité d'exploitation, les réacteurs à lits fixes arrosés sont considérés comme la meilleure technologie de contact entre gaz, liquide et solide dans un large éventail de procédés catalytiques. Bien que faciles à utiliser, ces réacteurs combinent plusieurs phénomènes complexes.
Dans le but de mieux comprendre ces phénomènes, plusieurs études de la littérature se sont intéressées à la caractérisation de ce type de réacteurs, mais peu d'entre elles ont abordé le transfert de matière aux interfaces. De plus, de fortes disparités sont observées dans l'estimation des paramètres d’intérêt : perte de charge, la saturation liquide, le taux de mouillage ainsi que les transferts de matière gaz-liquide et liquide-solide. 

Estimation réaliste des paramètres d’intérêt

Dans le but de mieux comprendre les phénomènes locaux, un travail de thèse [1] utilisant la mécanique des fluides numérique (CFD) a étudié le couplage complexe entre l'hydrodynamique et le transfert de matière dans des conditions de fonctionnement industrielles réalistes. Pour ce faire, des simulations prédictives de transfert gaz-liquide-solide ont été réalisées. Les prédictions hydrodynamiques en matière de perte de charge et de saturation liquide ont été validées par rapport à des modèles fiables de la littérature (loi d'Ergun, [2]). Il en va de même pour le taux de mouillage des grains qui a été comparé à une corrélation précédemment établie [3], en y rajoutant la prise en compte des effets du débit de gaz et de la forme des grains. 

Un large éventail de cas d’étude, de géométries de catalyseurs et de formes de grains

Pour la modélisation CFD, une stratégie de complexification progressive des cas d’étude a été adoptée (Figure 1), depuis le cas d’un film tombant bidimensionnel semi-infini jusqu’à celui d’un milieu réactif triphasique, avec un très bon accord sur l’hydrodynamique et les flux de transfert de matière.

Le modèle CFD a été évalué pour étudier l’effet de la géométrie du catalyseur solide dans trois configurations : (i) un réacteur filaire, (ii) un milli-réacteur structuré (iii) trois empilements de lits fixes arrosés comprenant des sphères, trilobes et quadrilobes. Dans ces cas d’étude, une accélération des transferts externes a été relevée et quantifiée pour les écoulements tortueux, en raison de l’apport convectif du soluté limitant la réaction. L’étude du transfert dans les réacteurs à lits fixes arrosés, pour différentes formes de grains, a montré une amélioration des coefficients de transfert pour les particules à haut ratio surface/volume. 
Enfin, les effets de débit gaz et de forme de grains sur le mouillage partiel des surfaces solides ont été simulés dans des conditions de procédé réelles, permettant d’élargir le domaine d’applicabilité de la corrélation évoquée ci-dessous [3].

Une meilleure compréhension des phénomènes locaux

Grâce à la mécanique des fluides numérique, ce travail a permis d’étudier l’hydrodynamique et le transfert de matière gaz-liquide-solide à l’échelle locale, et d’améliorer à la fois la compréhension et la détermination des paramètres d’intêret. Ainsi, des corrélations sont proposées pour (i) estimer le taux de mouillage dans les empilements de grain et (ii) corriger le modèle des résistances en série, communément utilisé dans l’industrie pour estimer le coefficient de transfert global. 

Références:

[1] Bouras, Hanane (2021) Etude expérimentale et numérique des transferts de matière externes dans différents réacteurs catalytiques triphasiques en régime ruisselant. En ligne : www.theses.fr/2021LYSE1021
[2] Boyer, C.; Volpi, C.; Ferschneider, G. (2007) Hydrodynamics of trickle bed reactors at high pressure: Two-phase flow model for pressure drop and liquid holdup, formulation and experimental validation. In : Chemical Engineering Science, vol. 62, n° 24, p. 7026–7032. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ces.2007.08.036.
[3] Julcour-Lebigue, Carine; Augier, Frédéric; Maffre, Harold; Wilhelm, Anne-Marie; Delmas, Henri (2009) Measurements and Modeling of Wetting Efficiency in Trickle-Bed Reactors: Liquid Viscosity and Bed Packing Effects. In : Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 48, n° 14, p. 6811–6819. DOI: https://doi.org/10.1021/ie9002443.
 

Contact scientifique : hanane.bouras@ifpen.fr