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RÉSUMÉ
Cet article détaille la démarche à suivre pour aboutir à un dimensionnement d’un réacteur catalytique à travers un exemple : celui de la mise en œuvre de la déshydrogénation catalytique de l’éthanol. Il inclut les calculs préliminaires au prédimensionnement du catalyseur, l’approche de sa configuration, jusqu’à la simulation numérique. L’étude de la tenue de l’activité au cours du temps est primordiale afin de choisir le réacteur le mieux approprié et d’adopter une stratégie de conduite du réacteur en fonction de la baisse d’activité du catalyseur au cours du temps.
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Jean-Léon HOUZELOT : Professeur École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy Institut national polytechnique de Lorraine
INTRODUCTION
Dans ce dossier, nous allons appliquer l’approche méthodologique proposée dans le dossier précédent pour le dimensionnement d’un réacteur catalytique à la mise en œuvre de la déshydrogénation catalytique de l’éthanol. Le lecteur pourra donc s’y reporter et y trouver le tableau des notations et symboles utilisés dans cet exposé.
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Simulation numérique du fonctionnement du réacteur catalytique
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3. Vers la configuration du réacteur industriel
Nous avons vu que, pour éviter des pertes de charges trop importantes, il faudrait avoir un réacteur de large section ; à l’inverse, pour éviter d’avoir un profil de température trop marqué dans le réacteur, ce dernier devrait avoir un petit diamètre. Afin de satisfaire simultanément ces deux conditions, la solution consiste à utiliser un réacteur à faisceau tubulaire. Ce réacteur est constitué d’un nombre très important de petit réacteurs tubulaires à lit fixe placés en parallèle (faisceau tubulaire) à l’intérieur d’une calandre dans laquelle circule le fluide caloporteur.
On utilise généralement des tubes de dimensions « standards » ; dans notre cas, nous choisirons des tubes 26 × 32 de 6 m de long, c’est-à-dire de 26 mm de diamètre intérieur et de 32 mm de diamètre extérieur.
Afin de pouvoir faire l’hypothèse d’un écoulement piston au sein du lit catalytique, il faut, pour éviter des écoulements préférentiels aux parois, que le rapport entre le diamètre du réacteur et la dimension des grains de catalyseur soit au minimum supérieur à 10 [8], condition satisfaite par notre choix.
Enfin nous utiliserons 5 mètres comme longueur utile du tube ; en effet, on se réserve souvent une partie du tube pour placer aux extrémités des zones de garnissage inerte dont les rôles respectifs sont, à l’entrée, un échangeur de chaleur et, à la sortie du réacteur, une zone d’équilibrage des pertes de charges.
La prise en compte des conditions énoncées ci-dessus conduit à envisager un faisceau constitué de N = 4 520 tubes en parallèle.
Pour déterminer la conversion à la sortie de ce réacteur, il convient d’écrire le système d’équations différentielles prenant en compte les bilans de matière, d’énergie et de quantité de mouvement ; ce dernier se met sous la forme :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CARBERRY (J.J.) - Chemical and catalytic reaction engineering - . Mc Graw Hill (1976).
-
(2) - LEVENSPIEL (O.) - The chemical reactor omnibook - . OSU Book Stores (1979), 2e édition (1989).
-
(3) - WEISZ (P.B.), HICKS (J.P.) - * - Chem. Engng. Sci. 74, p. 265 (1980).
-
(4) - BUTT (J.B.) - Advances in chemistry series - . 109, p. 259 (1972).
-
(5) - FROMENT (G.F.), BISCHOFF (K.B.) - Chemical reactor analysis and design - . Wiley 2nd edition (1990).
-
(6) - VILLERMAUX (J.) - Génie de la réaction chimique ; conception et fonctionnement des réacteurs - . TecDoc Lavoisier, p. 375 (1993).
-
...
ANNEXES
OSUNA-SANCHEZ (H.) - Conception et modélisation d’un réacteur de production d’hydrogène par craquage catalytique non stationnaire du méthane - . Université Claude-Bernard, Lyon 1 (3 mars 2005).
JULCOUR (C.) - Réacteur catalytique à lit fixe et cocourant ascendant : modélisation dynamique sélectivité et comparaison avec le cocourant - . Institut national polytechnique de Toulouse (15 déc. 1999).
RAMDANI (K.) - Le réacteur à inversion de flux pour la combustion des composés organiques volatils : modèles, expériences et dynamique - . Université Claude-Bernard, Lyon 1 (20 déc. 2000).
SOLTANA (F.) - Simulation de l’hydrodynamique et des transferts de matière et de chaleur dans les réacteurs à lit fixe - . Institut national polytechnique de Lorraine (11 oct. 2004).
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