Présentation de la simulation et des résultats

Géométrie et maillage

Géométrie 

La géométrie utilisée est une simplification du pilote du LGC. C'est un cylindre de 2,5m de haut et de 0,214m de diamètre avec un convergent en tête qui assure l'évacuation des gaz et l'absence de backflow dans la simulation. La géométrie est réalisée sur le logiciel Simail en 2D. Nous avons décidé dans un premier temps de traiter un cas de procédé batch pour simplifier les simulations et la géométrie ne présente donc pas d'entrée ou de sortie de solide.

Schéma de la géométrie 

Maillage 

Lorsque l'objectif de ce BEI est plutôt de comprendre la physique derrière les équations  plutôt que de donner un résultat parfait, nous décidons donc de réaliser la simulation en 2D afin d'économiser du temps de calcul. Pour les géométrie 2D, le logiciel NEPTUNE_CFD travaille en pseudo-2D, c'est-à-dire en 3D sur une épaisseur d'une maille. Nous utilisons au total 5880 mailles quadrangles pour la simulation. La taille caractéristique des mailles est de 1cm.

Conditions aux limites et initialisation

Conditions aux limites

Schéma des conditions aux limites de la géométrie 

              Tableau des types de conditions limites en pression
Phase Entrée Symétrie Paroi Sortie
CL en pression extr.P<i,w> dP=0 <i,s,w> extr.P <i,w> ddp=0 <o>

                                                

               Tableau des conditions limites des phases 
Position Phase Type de limite Vitesse Taux de présence
Bas gaz inlet (0;0;0,298) 1
média wall (0;0;0) 0
biomasse wall (0;0;0) 0
Haut gaz outlet (0;0;0) 1
média outlet (0;0;0) 10-12
biomasse outlet (0;0;0) 10-12

La vitesse d'injection de la vapeur est de 0,298 m/s qui correspond à 7 fois la vitesse minimale de fluidisation du média. Ce choix de vitesse assure une bonne fluidisation du lit.

      Tableau des conditions limites des scalaires
Scalaire Condition en entrée Condition en sortie Valeur
 YH2 dirichlet flux 10-12
YCO dirichlet flux 10-12
YCO2 dirichlet flux 10-12
Xd flux flux 10-12

 

 

 

Définition des paramètres

Paramètres physiques

Les propriétés physiques de l'eau ont été récupérées sur la base de données NIST [5].

On initialise les différentes phases particulaires à $10^{-12}$ éviter des erreurs lors du calcul. Le réacteur est ensuite chargé en biomasse et média dans le fichier usiniv.F avec 1,07kg de média et 0,057 kg de biomasse, soit un rapport média / biomasse de 20 ce qui correspond au point de fonctionnement de l'unité pilote du LGC (378 kg/h de média pour 20 kg/h de biomasse).

Tableau des propriétés physiques  
Phase Vapeur d'eau Média Biomasse
Etat  gas particle particle
Masse volumique (kg/m3) 0,19295 3040 600
Tréf (°C) 1123,5 1123,5 1123,5
Viscosité dynamique (Pa.s) 4,22.10-5 0 0
Diamètre (m) 0 0,0003 0,025
Cp (J/(kg.K)) 2378,1 1000 1400
Alpha init ---- 10-12 10-12

Paramètres des modèles

Tableau des paramètres des modèles 
Phase Vapeur d'eau Média Biomasse
Modèle de turbulence k-eps q2-q12 q2-q12
Couplage inverse turbulent non Small.inc. Small.inc.
Modèle de friction non fluxes fluxes
Modèle granulaire non fluxes fluxes
Modèle cinétique non uncorr.coll. uncorr.coll.
Modèle polydispersé Oui avec 0,64 en compacité maximale
CL paroi friction part.no slip part.no slip
Loi de trainée non Wen&Yu-Ergun Wen&Yu-Ergun

Le modèle de friction sur les phases particulaires impose une force de répulsion lorsque le système atteint un seuil de densité. Cela facilite la convergence du calcul car le système présentera moins souvent des points de trop forte compacité.

La CL en paroi sur ces mêmes phases est adaptée aux lits denses comme dans notre cas.

Vidéo

Cette vidéo correspond à 60 secondes de réaction sur un lit préfluidisé sans réaction pendant 5 secondes. La simulation a tourné pendant 26h sur un cœur et a réalisé 85193 itérations. La préfluidisation du lit permet d'éviter d'avoir un phénomène de "bouchon" lorsque la réaction commence.

Sur la partie correspondant au taux de présence du média on peut voir que le dégagement gazeux dû à la pyrolyse parvient à entrainer une partie du média vers la sortie du réacteur, la biomasse par contre reste dans le réacteur. On voit aussi qu'au cour de la réaction l'écoulement devient de moins en moins agité. Ceci s'explique par le fait que le dégagement gazeux ($\Gamma_1$) décroit avec le temps. En effet $r_c$ diminue linéairement lors de la réaction et donc les particules offrent un front de réaction de plus en plus réduit.

Analyse des résultats

Perte de média

Avec l'évaluation de la masse de média dans le réacteur, nous constatons qu'il y a une chute de la masse tout au début. Cette perte de média est à relier avec la vidéo où l'on peut voir du média s'échapper par le haut du réacteur. Cet envol d'une partie de la masse de média est dû à la grosse production de gaz pendant la pyrolyse. Presque 13 % de la masse de média fuit du lit.   

Évaluation de la masse gazeuse dans le réacteur

En traçant la variation de la masse gaz dans le réacteur, on voit que l'augmentation se présente essentiellement  dans les premières 5 - 6 secondes. Ceci s'explique par le fait que le gaz produit par la pyrolyse a une plus grande masse volumique que la vapeur d'eau. Après un certain temps la réaction n'est plus assez rapide pour compenser l'effet de vidange par la vapeur de fluidisation. A la fin de la simulation on remarque qu'il y a une masse résiduelle dans le réacteur :  la simulation n'a pas duré assez longtemps pour permettre à la vapeur de vidanger entièrement le réacteur.

Évaluation de la production de gaz

Nous avons aussi tracée l'évaluation de la production de gaz. Cette quantité s'obtient en faisant la différence entre le gaz sortant du réacteur et la vapeur injectée pour fluidiser.






 

H2

CO

CH4

H2O

Fraction massique

0,016

0,645

0,111

0,228

Production totale (kg)

4,02E-4

1,62E-2

2,79E-3

5,72E-3

 On peut calculer la fraction massique de chaque espèce dans le gaz produit grâce à la stoechiométrie de la réaction afin de récupérer la production de chaque espèce séparément.