Réactions homogènes en phase gazeuse dans les lits fluidisés

Cette thèse présente une étude sur les réactions homogènes en phase gazeuse dans les lits fluidisés. L'objectif principal est de développer des outils de modélisation et de caractérisation des réactions homogènes en phases gazeuses dans les réacteurs à lit fluidisé. Minimiser l'occurrence de réactions homogènes dans les lits fluidisés est un enjeu majeur puisqu'elles peuvent causer une baisse de production suite à la dégradation des réactifs et des produits désirés. Par ailleurs, ces réactions peuvent représenter un risque pour la sécurité lorsqu'elles sont rapides et exothermiques comme c'est le cas pour les réactions d'oxydations. Dans la région du lit fluidisé, la fraction de solides augmente le taux de recombinaison des radicaux libre et évite l'initiation de réactions homogènes ou réduit leur vitesse de réaction. Il existe toutefois des régions de haute porosité où des réactions homogènes peuvent être produites par de fortes concentrations de réactifs combinés à des températures et pressions élevées (caractéristiques de nombreux procédés incluant les procédés d'oxydation). Dans ces régions, le taux de recombinaison des radicaux libres peut être insuffisant pour empêcher l'initiation de réactions en phases gazeuses. Dans un réacteur à lit fluidisé, les régions de faible fraction de solides incluent principalement: • La zone du distributeur et des injecteurs dans le lit fluidisé • La phase bulle dans le lit fluidisé • Les régions en aval du lit fluidisé (zone de désengagement, cyclone, etc.) Dans la première partie de ce travail, la combustion en lit fluidisé du méthane, éthane, propane et n-butane avec de l'air a été étudiée en mode d'injection séparée. Un lit fluidisé de particules inertes de sables a été opéré dans le régime à bulle et à des températures intermédiaires : 923 K ≤ TB ≤ 1123 K. Pour l'éthane, le propane et le n-butane, la combustion avait lieu principalement dans la région de désengagement lorsque la température du lit fluidisé était inférieure à T1 = 923 K. D'un autre côté, la combustion se produisant entièrement dans une distance de 0.2 m de l'injecteur lorsque la température du lit était supérieure à T2 = 1073 K.

Abstract

This thesis presents a study on homogeneous gas-phase reactions in fluidized beds. The main objective is to develop new tools to model and characterize homogeneous gas-phase reactions in this type of reactor. Minimizing the risk of gas-phase reactions in fluidized beds is critical since they may cause a decrease in production by degrading reactants and desired products. Furthermore, they may constitute a safety concern in the case of fast and exothermic reactions such as oxidation reactions. In the fluidized bed region, the high solids volume fraction quenches free radicals, which minimizes gas-phase reactions. However, fluidized bed reactors are characterized by several regions of low solids volume fractions where gas-phase reactions may occur due to high temperatures, pressures and reactants concentrations. In these regions, the rate at which free radicals are quenched may be insufficient. In a fluidized bed reactor, the regions of low solids volume fraction mainly include: • The regions close to the distributor and the injectors • The bubble phase • The regions downstream of the fluidized bed surface (freeboard, cyclones, etc. ) Chemical processes in fluidized beds should be designed in order to prevent the initiation of homogeneous gas-phase reactions in these regions. In the first part of this work, the non-premixed combustion of C1 to C4 n-alkanes with air was investigated inside a bubbling fluidized bed of inert sand particles at intermediate temperatures: 923 K ≤ TB ≤ 1123 K. For ethane, propane and n-butane, combustion occurred mainly in the freeboard region at bed temperatures below T1 = 923 K. On the other hand, complete conversion occurred within 0.2 m of the injector at: T2 = 1073 K. For methane, the measured values of T1 and T2 were significantly higher at 1023 K and above 1123 K, respectively. The fluidized bed combustion was accurately modeled with first-order global kinetics and two one-phase PFR