Modélisation et simulation 3D de l’écoulement et du transfert thermique dans un réacteur tubulaire à lit de billes

Les réacteurs catalytiques à lit fixe sont largement présents dans l’industrie chimique. D’un point de vue industriel, leur modélisation permet de mieux comprendre leur comportement, plus particulièrement le couplage entre l’écoulement, le transfert thermique et les réactions chimiques. Dans ce travail, on propose un modèle numérique tridimensionnel d’un réacteur à lit fixe mono-tubulaire composé de particules sphériques. Ce modèle est développé à l’aide du logiciel commercial COMSOL Multiphysics avec une géométrie générée grâce à la méthode DEM (Discrete Element Method) en utilisant le logiciel STARCCM+. L’objectif est d’étudier l’écoulement et le transfert thermique dans le réacteur et de comparer les résultats avec la littérature afin de valider le modèle 3D développé. Pour cela, un traitement particulier est réalisé au niveau des points de contacts entre particules ainsi qu’entre paroi et particules afin d’éviter des erreurs lors de la génération du maillage. Ces ponts de contacts sont alors modélisés par des parallélépipèdes de taille de l’ordre d’un dixième de diamètre des particules. De plus, pour réduire les temps de simulation, une technique de simulation numérique pseudopériodique est utilisée. Cette technique permet de développer le modèle sur une petite géométrie appelée Volume Elémentaire Représentative tout en permettant la simulation d’une plus grande géométrie. Les résultats des simulations concernent l’étude des différentes tailles de ponts de contacts sur la thermique pour un seul nombre de Reynolds. Ensuite, pour une taille donnée de ponts de contacts, différents nombres de Reynolds sont considérés. Les résultats montrent que la taille des ponts de contacts a peu d’impact sur l’écoulement et le transfert thermique dans le réacteur. Conformément à plusieurs études présentées dans la littérature, l’évolution de la perte de charge suit classiquement la loi d’Ergun. Quant au transfert thermique, un effet non négligeable de l’entrée du réacteur est constaté. Une comparaison plus fine avec des corrélations présentes dans la littérature issue d’études présentant plus ou moins la même géométrie que notre problème est alors réalisé. Ceci a permis de valider le modèle de transfert thermique en situation établie. Dans la zone proche de l’entrée, une nouvelle corrélation de transfert thermique (Nu=f(Re, Pr) prenant en compte l’influence de la longueur d’établissement est proposée. Celle-ci permet de présenter plus précisément l’ensemble du réacteur depuis l’entrée dans la perspective de résoudre un modèle simplifié à une dimension.

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