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Ecole Mohammadia d’Ingénieurs

Département génie des procèdes industriels

2012

Étude hydrodynamique des lits fixes

avec flux (gaz-liquide) Ascendant ou descendant à

Co-courant

Réalisé par : OUGHANEM Abdelhamid

Encadré par Mr. BOUNAHMIDI Tijani

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Plan :

1. Introduction …………………………………………......1

2. Les réacteurs catalytiques ………………………….1

3. Etude expérimentale ……………………………….…5

4. Rétention liquide Résultats et discussions….9

5. Perte de charge Résultats et discussions……11

6. Dispersion axiale Résultats et discussions….12

7. Conclusion………………………………………………….13

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Introduction :

Suite à l’exposé du lundi 11/06/2012 ce présent rapport a pour but de synthétiser le contenu de

la présentation. Le sujet que traite ce travail est l’Étude hydrodynamique des lits fixes

avec flux (gaz-liquide) Ascendant ou descendant à Co-courant

Les réacteurs catalytiques :

Les réacteurs catalytiques sont des équipements indispensables dans toutes les industries qui

mettent en jeu des réactions chimiques.

Le catalyseur solide est soit dans la forme de pastilles ou de poudre. soit en suspension ou lits

fixes. Les réacteurs à lit de ruissellement (TBR) sont les plus préférés à grande échelle des

procédés industriels en raison de la simplicité de l'équipement et la facilité d'utilisation, et en

particulier par rapport à la manipulation du catalyseur. Quelques exemples des procédés

industriels employant le TBR: hydrotraitement (hydrocraquage, hydrodésulfuration,

l'hydrodéazotation, hydrodémétallisation, etc.

Le réacteur a lit de ruissellement TBR dans lequel le catalyseur solide est utilisé sous forme de

granulés, peut être exploité avec un courant ascendant (gaz-liq) à co-courant ou descendant

(gaz-liq). Dans certains cas, on utilise un écoulement contre-courant de gaz et de liquide est

également utilisé, par exemple dans l'industrie nucléaire, quand la réaction est en phase

vapeur, L'hydrodynamique et le transfert de chaleur et de masse sera différente pour

l’écoulement ascendant à co-courant et les modes de fonctionnement à flux descendant.

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Avantages des deux modes d’opérations :

ascendant descendant

• Mélangeage axiale et radiale

parfait

• Transfert thermique et

massique important

• Utilisé dans les réactions

exothermiques

• Stabilité mécanique

• Faible perte de charge

• Perforation de liquide meilleure

• Absence d’engorgement

Dans les réacteurs à flux descendant à lit de ruissellement, essentiellement quatre régimes

d'écoulement ont été observés suivant le débit du liquide et du gaz. Ce sont : régime

d'écoulement goutte à goutte, régime d'écoulement d'impulsion, régime d'écoulement de

pulvérisation et du régime d'écoulement à bulles. Les réacteurs industriels à lits fixes sont

exploités soit dans la région de transition le régime de pulvérisation et celui d'écoulement

d'impulsion, ou dans le régime d’impulsion en raison de la forte interaction gaz-liquide dans ces

régimes. Les régimes de flux ci-dessus mentionnés peuvent être classés en deux classes

principales: le régime d'interaction faible et le régime de forte interaction. Les régimes (bulle, la

pulsation et les régimes d'écoulements de pulvérisation) ont été suggérés à la fois pour

l’écoulement ascendant et descendant.

Les réacteurs TBR en mode descendant de fonctionnement ont été largement utilisés pendant

de nombreuses années, tandis que moins d'attention a été accordée à l’opération en mode

ascendant, qui présente toutefois des avantages du point de vue de la distribution de liquide,

l'efficacité de mouillage et la stabilité thermique. Par conséquent, une tentative a été faite dans

la présente étude afin de comparer la performance de TBR en descendant avec celui ascendant

TBR en mode descendant de fonctionnement ont été largement utilisé pendant de nombreuses

années, tandis que moins d'attention a été accordée à l’écoulement en mode ascendant, qui

présente toutefois des avantages du point de vue de la distribution de liquide, l'efficacité de

mouillage et la stabilité thermique. Par conséquent, une tentative a été faite dans la présente

étude afin de comparer la performance de TBR en mode descendant et celui ascendant.

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Pour ce faire Les deux importants paramètres hydrodynamiques de la TBR, à savoir la chute de

pression en deux phases et le rétention de liquide, ont été étudiés afin de comparer la

performance des deux modes. la Dispersion axiale a également été évaluée pour comparer la

performances de la TBR dans les modes de flux ascendant et descendant.

Etude expérimentale :

Pour réaliser cette étude de performance on a adopté le schéma expérimental suivant :

Lit en verre

Mesure de pertes de charges

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Détermination de la rétention liquide

Dans la littérature scientifique [6,7]*

Pour avoir des données fiables pour la distribution de temps de séjour il faut travailler

dans les conditions suivantes :

• D/dp>25

Dans cette expérience le catalyseur et de type congo dye sa concentration et mesurée

par un spectromètre

[6] A.K. Saroha, K.D.P. Nigam, A.K. Saxena, L. Dixit, RTD studies in trickle bed reactors

packed with porous particles, Can. J. Chem. Eng. 76 (1998) 738–743.

Mais la méthode du traçage donne de très bons résultats

Cette technique est utilisée avec des catalyseurs non poreux pour éviter le fait que les traceurs ne soient pas adsorbés sur les catalyseurs.

C’est pour cette raison que l’étude expérimentale est conduite avec un catalyseur non poreux

Plusieurs techniques sont utilisées pour déterminer la rétention liquide H

L

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[7] M. Herskowitz, J.M. Smith, Liquid distribution in trickle-bed reactors, AIChE J. 24

(1978) 442–449.

Les données obtenues de l’expérience du traceur après leur conversion en DTS nous

aide à calculer le temps moyen de séjour par une intégration numérique de la fonction t*E(t)

entre 0 et l’infini

∫ ( )

On utilise la méthode de Simpson (Matlab)

Et on a l’expression de la rétention liquide

Rappel : méthode de résolution d’intégral par Simpson :

La méthode de Simpson consiste à grouper trois points consécutifs de la courbe Mi, Mi+1

et Mi+2 et de remplacer l'arc de courbe passant par ces trois points par un arc de parabole.

Notons que si les points Mi, Mi+1 et Mi+2 sont alignés, le calcul des paramètres de la parabole

d'équation y = mx2 + px + q, passant par ces points conduira à m = 0. Par suite, quitte à parler de

parabole dégénérée, ce cas n'est pas singulier.

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Notons Mi(xi,yi), i = 1,2 ou 3, trois points consécutifs de la courbe représentative de la

fonction f. Les paramètres m, p et q de la parabole cherchée sont solutions du système :

h désignant le pas x3 - x2 = x2 - x1 = (b - a)/2 de la subdivision, l'intégrale de la fonction

mx2 + px + q entre x1 et x3 peut s'écrire :

J = [2m(x32 + x1x3 + x12)+ 3p(x1 + x3) + 6q] h/3

Compte tenu du système ci-dessus, que l'on ne résout surtout pas, on fait apparaître y1

+ y3 dans le crochet et en remarquant que x1 = x2 - h et x3 = x2 + h, on obtient :

J = (y1+ 4y2 + y3) h/3 (j)

Ce qui peut s'écrire plus élégamment :

En conséquence, pour une intégration sur l'intervalle [a,b], en regroupant les points de

la subdivision trois par trois en commençant à xo = a : (xo, x1, x2) , (x2, x3, x4) , (x4, x5, x6) , etc.

On remarque que le nombre n doit être pair et en utilisant la relation de Chasles pour les

intégrales, on obtient, avec h = (b - a)/n, la formule d'approximation de Simpson :

En cas de doute, pour s'assurer qu'il n'y a pas un défaut de convergence, on pourra dans

le cas d'une intégrale sur un intervalle de monotonie, encadrer celle-ci par la méthode

élémentaire des rectangles. Il est clair que la formule de Simpson :

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est exacte pour les polynômes de d° 2. On vérifiera qu'elle est aussi exacte pour les polynômes

de degré 3 en testant la formule J = (y1+ 4y2 + y3) h/3 sur le monôme f(x) = x3. Pour cette

raison, on appelle parfois la formule de Simpson : formule des trois niveaux.

Rétention liquide Résultats et discussions

Rétention liquide en fonction de la vitesse gaz liquide en flux ascendant et descendant :

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Tableau récapitulatif des courbes de la rétention liquide

Flux ascendant Flux descendant

Si V gaz

augmente

Hl

augmente

Si V gaz

augmente

Hl

augmente

Si V

liquide

augmente

Hl

augmente

Si V liquide

augmente

Hl

augmente

Rétention liquide flux descendant en fonction de la même rétention liquide

en flux descendant

Tolérance de 25%

Pour comparer les deux mode d’écoulements en terme de rétention liquide on trace la Rétention liquide a flux descendant en fonction de la même rétention liquide en flux descendant et sur le même graphe celle du flux descendant et

on conclut que Pour le domaine de fortes interactions la rétention liquide pour les deux modes opératoires sont proches.

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Perte de charge Résultats et discussions

Résultats:

• lorsque V gaz augmente la perte de charge augmente.

• La perte de charge augmente avec l’augmentation de la vitesse du liquide.

• lorsque v gaz augmente la perte de charge pour le courant ascendant approche celle du

courant descendant.

Pour le domaine de fortes interactions la perte de charge pour le co-courant ascendant et

proche de celle du co-courant descendant.

De la même manière que pour la rétention liquide on construit le graphe suivant .

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Dispersion axiale Résultats et discussions

La dispersion axiale est calculée en termes de nombre de Peclet Pe augmente si V liquide augmente pour les deux modes.

Le nombre de peclet est plus grand dans le mode descendant.

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Corrélations Pe en f(ReL,Reg ) ( régression non linéaire)

Flux descendant:

Pe = 5.35*(ReL 0.53 )*(Reg

0.03 )

28.5 < Rel < 81.56 ; 4.9 < Reg < 34.9

Flux descendant:

Pe = 3.66*(ReL0.55 )*(Reg

−0.057)

28.5 < Rel < 81.56; 4.9 < Reg < 34.9.

Conclusion :

Le présent travail confirme la similitude des caractéristiques hydrodynamiques (perte de charge

et rétention de liquide) pour les deux courants ascendant et descendant en régime

d'interactions fortes.

La Dispersion axiale est plus élevée dans le mode à courant ascendant par rapport à celui à

courant descendant pour un débit liquide et gaz fixe.

Ainsi, la présente étude permet l'extrapolation des résultats obtenue en mode à courant

ascendant pour estimer les caractéristiques hydrodynamiques du mode descendant dans la

zone d’interaction élevé dans les cas où la dispersion axiale n'est pas d'une grande importance.