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Avancées dans le domaine de la modélisation des écoulements polyphasiques ruisselants

Juillet 2015

Des outils numériques performants ont vu le jour ces dernières années dans les laboratoires d’IFP Energies nouvelles (IFPEN) pour simuler et prédire les écoulements polyphasiques dans des procédés à géométrie confinée (lits de particules catalytiques ou colonnes à garnissages structurés).
   
Ces développements ont reposé en grande partie sur les travaux antérieurs menés en interne et ont bénéficié de l’apport déterminant du Pr. F. Larachi de l’université Laval à Québec (Canada), qui avait été accueilli comme visiteur scientifique en 2013 pour une durée de 6 mois, renforçant ainsi des liens collaboratifs déjà étroits.

Les outils numériques développés dans ce cadre sont de deux types :
  
Tout d’abord des modèles en réseaux de pores ont été développés pour décrire les écoulements à l’échelle des empilements de grains. Les écoulements monophasiques ont été modélisés en régimes visqueux et inertiels dans des empilements de particules caractérisés par tomographie-X1.
   
Puis le modèle en réseau de pore a été modifié pour simuler les écoulements gaz-liquide ruisselants2 similaires à ceux mis en œuvre dans les réacteurs catalytiques d’hydrotraitement de coupes pétrolières et d’huiles végétales. Des exemples typiques de résultats de simulations sont reportés en figure 1.

Figure 1 : Prédiction de distribution de la phase liquide dans un écoulement ruisselant sur des particules sphériques et champ de pression associé.

La compréhension des mécanismes élémentaires mis en jeu à l’échelle des grains de catalyseur, basée sur des études expérimentales et numériques, a été déterminante pour développer les modèles macroscopiques requis pour la simulation des procédés industriels, et qui constituent le deuxième type d’outil développé récemment. Ces modèles eulériens se basent en effet sur la description des écoulements à une échelle supérieure à celle des motifs géométriques élémentaires du réseau poreux. Ils nécessitent donc l’intégration de modèles physiques « en sous-mailles » pour reproduire l’impact macroscopique de contributions intervenant à une échelle microscopique, telles que la friction entre phases gaz/liquide/solide, la dispersion des espèces chimiques, la saturation locale du milieu poreux ou les propriétés de transfert de matière.

C’est sur ce principe qu’a été développé au sein de l’IFPEN le modèle CFD de lit fixe ruisselant (ou Trickle-Bed)3. Ce modèle hydrodynamique est maintenant couplé à des cinétiques réactionnelles afin d’orienter les développements de technologies de réacteurs, dans le cas de différents procédés comme l’hydrocraquage ou l’hydrotraitement de distillats moyens. La figure 2 illustre une application du modèle eulérien d’IFPEN pour simuler un écoulement à l’échelle d’un réacteur industriel.

Figure 2 : Contour de saturation liquide prédit par le modèle eulérien - cas expérimental tiré de la littérature4.

Outre les développements menés sur les applications en lits fixes catalytiques, les écoulements gaz-liquide en colonnes garnies utilisées pour le traitement de gaz ou le captage du CO2 ont également fait l’objet de modélisations micro- et macroscopiques5. Ces travaux ont eux aussi grandement bénéficié des échanges avec le Pr. Larachi, et ont donné lieu à une nouvelle publication commune6.

Frédéric Augier

   
Contact :

Frédéric Augier
frederic.augier@ipfen.fr
IFPEN - Direction Conception Modélisation Procédés

Références :

1 Larachi F., Hannaoui R., Horgue P., Augier F., Haroun Y., Youssef S., Rosenberg E., Prat M., Quintard M., X-ray micro-tomography and pore network modeling of single-phase fixed-bed reactors, Chem. Eng. J., 240, 290-306, 2014.

2 Hannaoui R., Horgue P., Larachi F., Haroun Y., Augier F., Quintard M., Prat M. , Pore-network modeling of trickle bed reactors: Pressure drop analysis, Chem. Eng. J. 262, 334–343, 2015.

3 Solomenko Z., Haroun Y., Fourati M., Larachi F., Boyer C., Augier F., Liquid spreading in trickle-bed reactors : Experiments and numerical simulations using Eulerian–Eulerian two-fluid approach, Chem. Eng. Sci. 126, 698–710, 2015.

4 Marcandelli C.,Lamine A.S.,Bernard J.R.,Wild G., Liquid distribution in trickle-bed reactor, Oil Gas Sci.Technol., 55, 407–415, 2000.

5 Fourati M.,Roig V.,Raynal L., Liquid dispersion in packed columns: experiments and numerical modeling, Chem. Eng.Sci. , 100, 266–278, 2013.

6 Iliuta I., Larachi F., Fourati M., Raynal L., Roig V., Flooding limit in countercurrent gas–liquid structured packed beds—Prediction from a linear stability analysis of an Eulerian two-fluid model, Chem. Eng. Sc. 120, 49–58, 2014.


 

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