Ce BEI s'inscrit dans un projet plus large développé à l'Institut Français du Pétrole : il s'agit de l'étude d'une réaction entre un gaz et un liquide, catalysée sur des grains de solide. Le réacteur choisi est un lit fixe ruisselant.

La figure ci-dessous présente une coupe intérieure d'un lit fixe.

 

Lit fixe

La coloration rouge correspond aux grains mouillés par le passage d'un fluide coloré.

 

 

 

Contexte général : projet de l'IFP

 

Afin d'étudier et de caractériser ses performances, pour ensuite pouvoir les optimiser, l'IFP a choisi de construire un réacteur filaire pilote, puis une maquette en forme de serpentin.

 

Le réacteur filaire est caractérisé par un diamètre proche de celui des grains de catalyseur. A chaud, il permet ainsi de réaliser des mesures afin de caractériser  l'hydrodynamique dans le système et de calculer des coefficients de transfert de matière.

 

Néanmoins, les performances réalisées par ce réacteur dépassent celles du lit fixe. En effet, l'hydrodynamique dans ce réacteur filaire pilote est certainement moins complexe, puisque dans le réacteur réel le fluide choisit des chemins préférentiels. Le transfert est lui aussi (par conséquent) surestimé. C'est pourquoi un deuxième "objet expérimental" a été mis en place. Cependant ce réacteur filaire a l'avantage de reproduire les forts effets capillaires intervenant au niveau d'un lit fixe.

 

Réacteur pilote filaire, système confiné.

 

 

La maquette permet ainsi de compléter les mesures effectuées. Il s'agit d'une maquette en forme de serpentin, de section valant 3 ou 4 mm². Elle doit permettre de caractériser la chimie dans ce réacteur, par des mesures de DTS (Distribution des Temps de Séjour) et de coefficients de transfert.

 

 

Maquette en forme de serpentin

 

 

 

Objectifs du BEI

 

L'objectif général du projet est de tester différentes confidurations de grains de catalyseur (forme, empilement...) afin d'optimiser le transfert de matière entre le gaz et le liquide, en assurant la meilleure surface d'échange possible. Il s'agit alors de simuler une tranche de cette maquette, en considérant des grains de catalyseur d'environ 2 mm.

Les simulations seront réalisées sour le logiciel FLUENT, en utilisant la méthode VOF (Volume of Fluid) pour reproduire l'écoulement diphasique.

 

La priorité, dans le cadre de ce BEI, est de voir si la méthode VOF de Fluent permet de reproduire des écoulements de Taylor dans des tubes capillaires, et en insérant des obstacles à l'écoulement dans les tubes (de forme rectangulaire ou circulaire). Il s'agit donc plutôt, dans un premier temps dans le cadre général de ce projet, de réaliser une étude de faisabilité, d'acquérir de l'expérience sur la méthode VOF sous Fluent et de voir qualitativement quels résultats on peut espérer grâce à elle.

 

 

Exemples de simulations 2D et 3D de gouttes dans un canal

 

 

 

Méthodologie

 

En fonction de l'avancement du BEI, les différentes étapes permettant la réalisation de ces objectifs sont les suivantes :

  1. Se familiariser avec la méthode VOF en simulant des cas simples sous Fluent.

  2. Trouver un cas de validation dans la littérature comportant des résultats expérimentaux et/ou numériques afin de le comparer avec les résultats obtenus avec la méthode VOF sous Fluent.

  3. Simuler l'hydrodynamique dans une tranche de maquette, sous les conditions précisées par l'IFP.

  4. Ajouter des obstacles à l'écoulement dans le capillaire.

  5. Prendre en compte le transfert de matière, avec différentes configurations de grains : grains de différentes formes, sous différentes positions, tester des empilements de grains...

 

Les résultats intermédiaires et l'avancement du projet sont résumés dans les différentes sections de ce site.

 


Visualisation des différents types d'écoulements diphasiques en micro-canal

Les écoulements poches - bouchons (c) et (d) nous intéressent ici.