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Les réacteurs à lit garni sont l’un des types de réacteurs les plus couramment utilisés dans l’industrie chimique, en raison de leurs taux de conversion élevés. Les réacteurs à lit garni sont généralement des réacteurs tubulaires remplis de particules catalytiques solides. La réaction se produit à la surface de la particule solide. Ainsi, les petites particules permettent un rapport surface/volume élevé et donc une conversion élevée. Idéalement, le fluide s’écoule à travers le réacteur à la manière d’un bouchon, c’est pourquoi ces réacteurs sont parfois appelés réacteurs à écoulement bouchon. Cependant, une mauvaise distribution du flux ou une canalisation peut se produire, où le flux ne maintient plus la distribution uniforme en forme de bouchon. Cela entraîne une diminution de la chute de pression dans le réacteur et affecte le taux de conversion de la réaction. Dans cette vidéo, nous aborderons les bases d’un réacteur à lit garni et montrerons comment mesurer la chute de pression et la distribution du débit d’un écoulement monophasique et diphasique dans un lit garni.
Dans les systèmes à lit garni monophasé, le fluide peut être un gaz ou un liquide. Dans les réacteurs diphasiques, les liquides et les gaz s’écoulent sur les particules solides dans des lits à co-courant ou à contre-courant. Dans les systèmes monophasés et biphasés, le réacteur peut être orienté horizontalement ou verticalement. Cette phase solide est emballée de deux manières. L’empilement déversé est orienté de manière aléatoire, tandis que l’empilement structuré se compose de réseaux géométriques définis. Plus l’emballage est homogène, plus la perte de charge à travers le lit est faible. Un réacteur à lit garni idéal avec un écoulement monophasique peut être décrit par l’équation d’Ergun, qui décrit la chute de pression à travers le lit et comment elle est liée à la taille des particules, à la longueur du lit, à l’espace vide ou à la porosité, à la vitesse du fluide et à la viscosité. Cependant, les performances réelles du réacteur et les écarts par rapport à l’idéal doivent être analysés expérimentalement via la méthode du traceur. Dans la méthode du traceur, un colorant traceur, qui est supposé se comporter de la même manière que les molécules réactives, est injecté dans la colonne. Le colorant est surveillé pendant qu’il s’écoule à travers la colonne, et sa concentration à la sortie est mesurée en fonction du temps. Dans un écoulement piston idéal, le traceur doit sortir à un instant et la distribution apparaît sous la forme d’un pic. Dans une colonne typique, cependant, la fonction de concentration prend la forme d’une distribution gaussienne. Cette fonction est ensuite utilisée pour calculer la répartition du temps de séjour. Pour quantifier l’écart par rapport à l’écoulement piston, le temps de séjour moyen, ou la probabilité qu’une molécule sorte de la colonne au temps T, est calculé comme indiqué. Pour les lits garnissés, le temps de séjour est lié au volume de vide, qui est le produit du volume total du lit et de la porosité, divisé par le débit volumétrique, Q. Pour décrire un écoulement diphasique dans un lit garni, deux modèles simples sont appliqués. Le modèle homogène suppose que les vitesses gazeuse, liquide et moyenne, ou diphasique, sont égales. Ensuite, la densité diphasique est la vitesse de masse, G, divisée par la vitesse diphasique, UTP. La viscosité diphasique moyenne est définie comme indiqué, où X est la fraction pondérale de vapeur, et mu L et mu G sont les viscosités des phases liquide et gazeuse respectives. Dans le modèle d’écoulement stratifié, le delta P de chaque phase est égal à l’autre. Ainsi, l’équation d’Ergun pour chaque phase est égale à l’autre. La chute de pression et les deux débits doivent être connus, tandis que la porosité est calculée à partir de l’équation. Ensuite, le bilan de masse relie les vitesses du gaz et du liquide à la vitesse diphasique. Maintenant que vous êtes familiarisé avec le test de traçage, apprenons comment réaliser l’expérience.
Avant de commencer, familiarisez-vous avec l’appareil, qui est commandé à l’aide d’une interface graphique. Le système de contrôle est utilisé pour réguler les vannes, les débits et divers autres paramètres. Le lit numéro quatre, qui est rempli de billes de verre et de sable de dynamitage, est utilisé pour l’expérience monophasée, tandis que le lit numéro cinq, rempli de verre, est utilisé pour l’expérience d’écoulement diphasique. Commencez par ouvrir les soupapes d’entrée et de sortie, ainsi que le solénoïde d’alimentation en eau, au lit numéro quatre pour déterminer le débit d’eau. À l’aide du régulateur de débit, augmentez progressivement le débit d’eau à travers le lit et surveillez le débit à l’aide de la pression différentielle. Assurez-vous de faire varier le débit pour couvrir toute la plage du transmetteur DP. Ensuite, allumez le spectromètre UV/vis et assurez-vous de la communication avec la console de commande. À l’aide d’étalons de colorant fluorescent, calibrez le spectromètre.
Pour le test, choisissez un seul débit moyen et un colorant fluorescent de 50 PPM dans de l’eau désionisée comme traceur. Tout d’abord, insérez la sonde du spectromètre dans le point d’échantillonnage de la sonde. Ensuite, à l’aide du système de contrôle, changez l’état de la soupape d’injection de fonctionnement à charge. Injectez le traceur dans la valve de l’échantillon à l’aide de la seringue et remettez la valve en marche. Surveillez l’absorbance du spectromètre lorsque le traceur passe dans le lit. Pour nettoyer la chambre d’injection pour l’expérience suivante, changez l’état en charge et injectez 100 millilitres d’eau avec une seringue propre dans la valve. Lorsque l’absorbance revient à la ligne de base, mettez la valve en marche et purgez-la avec de l’eau pendant 10 à 15 minutes à haut débit avant la prochaine injection de traceur.
Assurez-vous que les vannes d’eau des lits sont fermées. Vérifiez que les soupapes d’entrée et de sortie du lit numéro cinq et la soupape de vidange sont ouvertes. De plus, assurez-vous que la vanne manuelle pour l’air vers les lits est fermée. Ouvrez lentement le régulateur d’air pour établir un flux d’air, puis ouvrez la vanne manuelle pour l’air vers les lits. Ensuite, à l’aide du régulateur de débit d’eau, réglez le débit à 700 millilitres par minute et ouvrez la vanne manuelle. À l’aide des vannes, acheminez le flux d’eau et d’air vers le séparateur gaz/liquide. Confirmez que l’eau sort pour s’écouler. Pour obtenir une meilleure séparation de l’air et de l’eau, fermez temporairement la vanne du drain, ce qui entraînera l’accumulation d’une tête liquide dans le séparateur gaz/liquide. Utilisez le régulateur de pression et le testmètre sec sur la conduite de sortie de gaz pour ajuster le débit d’air. Fermez brièvement la vanne de vidange et utilisez le testmètre humide pour lire le débit de gaz. À un seul débit de liquide, faites varier manuellement le débit d’air au niveau du régulateur pour couvrir la plage du transmetteur DP et collecter les données de chute de pression pour les expériences d’écoulement diphasique au lit numéro cinq.
Examinons maintenant le comportement réel de l’écoulement. Pour un écoulement monophasique, obtenir la distribution du temps de séjour. Utilisez la distribution du temps de séjour pour calculer le temps de séjour moyen, la porosité moyenne et la masse du traceur. Comparez la masse du traceur calculée avec la valeur réelle. Ensuite, utilisez l’équation d’Ergun pour prédire le delta P pour les expériences d’écoulement de l’eau. Comparez les pertes de charge calculées à l’aide des porosités calculées à la valeur mesurée. Par exemple, dans cette figure, la porosité minimale pour les sphères en emballage fermé est de 0,36. Pour les couches trois et quatre, les valeurs de porosité calculées déterminées à partir des distributions de temps de séjour sont faibles, ce qui fait que le delta P prévu est supérieur aux valeurs mesurées. Cela pourrait indiquer une canalisation le long des parois du lit. Pour les écoulements diphasiques, déterminez la perte de charge prévue à l’aide des théories de l’écoulement homogène et stratifié et comparez-la à la valeur mesurée. Comme le montre ce tableau, les pertes de charge calculées à l’aide de la théorie de l’écoulement homogène se sont avérées meilleures que celles calculées à l’aide de la théorie de l’écoulement stratifié. Les fortes pertes de charge mesurées suggèrent une canalisation importante dans le lit horizontal, ce qui signifie que le liquide était confiné à une petite partie de la section transversale.
Les réacteurs à lit garni sont largement utilisés dans de nombreux domaines de l’industrie et de la recherche. Par exemple, les réacteurs à lit garni sont utilisés pour convertir la biomasse lignocellulosique terrestre en combustible hydrocarboné. La première étape consiste à pyrolyser la biomasse pour produire de la bio-huile à l’aide d’un réacteur à lit fluidisé. À l’instar d’un réacteur à lit garni, un réacteur à lit fluidisé utilise des particules de catalyseur solides pour faciliter une réaction, mais elles sont en suspension dans le fluide plutôt que conditionnées dans un lit. La deuxième étape du processus utilise un réacteur à lit garni pour convertir les bio-huiles en carburant. Ici, les particules du catalyseur sont du ruthénium soutenu sur du carbone dans le premier étage du réacteur, et du cobalt molybdène sur de l’alumine dans le deuxième étage. Le résultat final est un mélange d’hydrocarbures de la gamme de carburant. Les réacteurs à lit garni peuvent également être utilisés pour la conversion enzymatique, comme la digestion d’une protéine avant l’analyse par spectrométrie de masse. Dans cet exemple, la réaction a lieu sur des particules de silice C18, emballées dans un réacteur microfluidique. Ici, la protéine digérée est liée à la particule, tandis que l’enzyme circule dans le réacteur dans le fluide. L’utilisation d’un réacteur à lit garni pour la digestion des protéines, comme l’exemple montré ici, peut améliorer le rendement et réduire considérablement le temps et les coûts de digestion.
Vous venez d’assister à l’introduction de Jupiter à l’écoulement monophasique et diphasique dans des lits garnis. Vous devriez maintenant comprendre les bases d’un réacteur à lit garni et comment analyser l’écoulement à l’aide d’un test de traçage. Merci d’avoir regardé !
