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RÉSUMÉ
Cet article détaille la démarche à suivre pour aboutir à un dimensionnement d’un réacteur catalytique à travers un exemple : celui de la mise en œuvre de la déshydrogénation catalytique de l’éthanol. Il inclut les calculs préliminaires au prédimensionnement du catalyseur, l’approche de sa configuration, jusqu’à la simulation numérique. L’étude de la tenue de l’activité au cours du temps est primordiale afin de choisir le réacteur le mieux approprié et d’adopter une stratégie de conduite du réacteur en fonction de la baisse d’activité du catalyseur au cours du temps.
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Jean-Léon HOUZELOT : Professeur École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy Institut national polytechnique de Lorraine
INTRODUCTION
Dans ce dossier, nous allons appliquer l’approche méthodologique proposée dans le dossier précédent pour le dimensionnement d’un réacteur catalytique à la mise en œuvre de la déshydrogénation catalytique de l’éthanol. Le lecteur pourra donc s’y reporter et y trouver le tableau des notations et symboles utilisés dans cet exposé.
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4. Simulation numérique du fonctionnement du réacteur catalytique
Pour résoudre ce système d’équations différentielles, nous avons utilisé un code de calcul commercial très convivial : Matlab®.
Dans le tableau 3 est rassemblé l’ensemble des paramètres utilisés pour la simulation de deux marches de conduite du réacteur.
Les résultats de ces simulations sont consignés dans le tableau 4.
Les figures 1, 2 et 3 présentent respectivement, pour les deux essais, les profils de conversion, de température et de pression le long de l’axe du tube.
L’analyse de ces profils, notamment celui de la température est très intéressante ; en effet, on constate, à l’entrée du réacteur, une baisse très rapide de la température, qui est due à la cinétique rapide de la réaction et à son caractère endothermique ; sur cette portion, le taux de conversion évolue très rapidement pour être assez voisin de l’équilibre.
Dans la seconde partie du réacteur, la remontée de la température, d’une part, et surtout l’abaissement de pression, d’autre part, vont jouer dans un sens favorable (réaction endothermique équilibrée) pour une augmentation du taux de conversion à l’équilibre ; à la sortie du réacteur, la chute de pression est telle que l’on assiste à une reprise de la conversion qui est marquée par un léger abaissement sur le profil de température et une légère accélération sur le profil de conversion.
Du point de vue thermodynamique, comme on est en présence d’une réaction endothermique équilibrée, le taux de conversion est défavorisé par des pressions élevées et par une température basse. C’est la raison pour laquelle la configuration à 6 000 tubes donne une meilleure conversion ; la sensibilité sur le profil thermique est faible, par contre elle est beaucoup plus importante sur les pertes de charge, d’où la meilleure conversion observée.
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - VILLERMAUX (J.) - Génie de la réaction chimique ; conception et fonctionnement des réacteurs - . TecDoc Lavoisier, p. 375 (1993).
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...
ANNEXES
OSUNA-SANCHEZ (H.) - Conception et modélisation d’un réacteur de production d’hydrogène par craquage catalytique non stationnaire du méthane - . Université Claude-Bernard, Lyon 1 (3 mars 2005).
JULCOUR (C.) - Réacteur catalytique à lit fixe et cocourant ascendant : modélisation dynamique sélectivité et comparaison avec le cocourant - . Institut national polytechnique de Toulouse (15 déc. 1999).
RAMDANI (K.) - Le réacteur à inversion de flux pour la combustion des composés organiques volatils : modèles, expériences et dynamique - . Université Claude-Bernard, Lyon 1 (20 déc. 2000).
SOLTANA (F.) - Simulation de l’hydrodynamique et des transferts de matière et de chaleur dans les réacteurs à lit fixe - . Institut national polytechnique de Lorraine (11 oct. 2004).
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