BEI Enérgitique et Procédés

Transport de masse et chaleur dans un lit fixe

Introduction

Le sujet proposé par l’Institut Français du Pétrole (IFP) a pour objectif d’évaluer l’intérêt de l’utilisation du logiciel Fluent pour calculer certaines caractéristiques d'un lit fixe de catalyseurs comme :

 les coefficients de diffusion axial/radial de matière et de chaleur

 les coefficients de transfert fluide-solide, de matière et de chaleur

 

Pour cela, il a été proposé de réaliser des simulations d'écoulements autour de billes empilées, puis de simuler le transport de scalaires comme la température ou la concentration, le post-traitement permettant de remonter aux grandeurs recherchées.

 

Dans cette perspective, plusieurs questions venaient à se poser :

 

 combien de grains de catalyseurs doivent être simulés pour être représentatifs du problème.

 Quel maillage réaliser et comment traiter le problème des points de contact entre les grains.

 Quelles simulations réaliser pour remonter aux grandeurs recherchées, et comment réaliser le post-traitement.

 

L’IFP a pu simuler 1000 billes de 0,6 mm de diamètre ; en maillant assez fin (20-30 μm) un maillage de 4 millions de mailles a été ainsi obtenu.

 

L’idée étant de représenter une centaine de billes, le maillage 3D pouvait se réduire à 400 000 mailles. Cependant la limitation pour le BEI étant de 65 000 mailles, l’objectif initial s’est donc avéré impossible à réaliser et il a fallut réorienter le sujet.

 

Ci-dessous une représentation du maillage de 1000 billes :

 

    

Objectif initial  :

Nouvel objectif :

 

Pour respecter la limitation de mailles imposées, le problème a été réduit à une étude 2D.

 

Dans cette perspective, le but consiste simuler une section du lit fixe, et à étudier l’influence de paramètres tels que la fraction volumique de grains de catalyseurs, la répartition de ces grains, et le nombre de Reynolds, sur les coefficients de transport de chaleur, lorsqu’un flux de chaleur est imposé en paroi. Il s’agit de calculer des coefficients effectifs locaux de la portion du lit fixe simulée.

 

Les résultats seront comparés à des solutions analytiques.