Design of a Gas-Solid Fluidized Bed Reactor at High Temperature and High Pressure

De nombreux procédés de raffinage et de pétrochimie sont réalisés dans des réacteurs agités ou dans les lits fluidisés qui impliquent des fluides polyphasiques dans des conditions extrêmes. L'utilisation de haute température et / ou haute pression lors de la conversion et la manipulation de fluides, se traduit par des conditions de traitement extrêmes pour lesquelles l'hydrodynamique demeure inconnu. En conséquence, avec seulement quelques études à haute température et très peu à haute température et haute pression, le développement de nouveaux modèles et de critères de conception lors de l'utilisation de conditions extrêmes est donc d'un intérêt immédiat pour Total, le partenaire industriel de cette chaire de recherche. L'objectif de ce mémoire est d'examiner, ainsi que de comparer les modèles déjà publiés sur la fluidisation dans des conditions ambiantes et extrêmes, tout en mettant l'accent sur les informations nécessaires à la conception de réacteurs gaz-solide. Par conséquent, une conception détaillée d'un lit fluidisé qui permettrait un fonctionnement flexible à haute température et à haute pression sous plusieurs vitesses de gaz sera menée afin de servir pour le futur développement de nouveaux modèles hydrodynamiques. Afin d'illustrer la nécessité de ce réacteur pilote, les effets résultant de l'utilisation de conditions d'opération extrêmes (haute température, pression et vitesse) sur la fluidisation et plus précisément la taille des bulles ont été démontrées. Ainsi, trois corrélations de taille de bulles ont été choisies: la première pour avoir été modélisée à haute pression et vitesse, la deuxième pour avoir été développée à haute température et la troisième pour avoir été une des corrélations les plus couramment citée dans les livres de conception de réacteur à lit fluidisé. Aucun de ces modèles a fourni des valeurs acceptables au-delà de sa plage désignée. En outre, l'effet de diamètre de bulles sur le transfert de masse, ainsi que sur la conversion, le taux d'entraînement et la hauteur limite de désengagement (TDH) a été étudiée tout en appliquant chacun des différents modèles de taille de bulles. Ainsi, plusieurs divergences ont été notées entre les résultats obtenus et les tendances attendues. En utilisant des représentations graphiques de l'entrainement en fonction de la hauteur au dessus du lit, TDH a été jugée indépendant de la taille des bulles. De plus, celui-ci varie avec la température, la pression et la vitesse, ce qui est contraire à plusieurs corrélations existantes. Par ailleurs, à des vitesses élevées, malgré l'obtention d'une grande valeur du TDH à la fois graphiquement et en utilisant les différents modèles existants, les changements globaux dans le taux d'entrainement total sont négligeables. Par conséquent, dimensionner la zone de désengagement a partir de TDH tel que suggéré par la plupart des livres de conception de réacteurs à lits fluidisés, pourrait ne pas être rentable. De plus, en utilisant différents diamètres de bulles lors du calcul de la conversion du méthane dans la réaction de reformage, ce besoin de développer de nouveaux modèles a été une autre fois démontré à travers l'obtention de résultats qui diffèrent des valeurs attendues lorsque les paramètres d'opération sont changés. Ainsi, avec ce besoin de développer de nouveaux modèles de fluidisation aux conditions extrêmes illustrées, la conception complète d'un réacteur à lit fluidisé et son procédé a été menée. Les conditions d'opération ont été choisis afin de servir en tant qu'une extrapolation adéquate à la réalité industrielle. Les dimensions du réacteur ont été choisis afin de permettre la comparaison avec un réacteur qui fonctionne à haute température existant actuellement dans notre laboratoire. En outre, ces conditions ont également été choisies tout en respectant les contraintes définies par le compresseur ainsi que les limites départementales liées à l'installation de ce réacteur au sein de l'université. Ce réacteur sera donc opéré à des températures de 25 à 1000°C et des pressions entre 1 et 20 atm, avec un diamètre de 15 cm à la base et 50 cm pour la zone de désengagement. La vitesse du gaz sera comprise entre 0,1 m/s et 2 m/s afin de couvrir le régime bouillonnant ainsi que le régime turbulent. Du sable ou autre type de catalyseur sera utilisé en tant que matière du lit. La taille de particule moyenne sera donc comprise entre 60 um et 500 um, de manière à inclure les particules de type Geldart A et B, avec une densité allant de 1 à 2.5g/cm3. De l'air comprimé provenant de trois différents compresseurs sera utilisé en tant que gaz de fluidisation. Afin de chauffer le réacteur aux températures requises, un système de chauffage a été conçu. Ce système comprend une conduite isolée où un appareil de chauffage électrique à haute pression capable de résister à des faibles débits sera attaché. Cet appareil de chauffage électrique sera utilisé pour préchauffer la conduite jusqu'à ce que la température d'auto-inflammation du gaz naturel est atteinte. À ce moment, le gaz naturel sera introduit avec l'air comprimé à travers des ports situés le long de la conduite. Ce système de chauffage est alors relié à la boîte à vent qui a été conçue pour permettre une conversion du méthane de plus de 99% afin d'assurer une réduction maximale de la concentration du monoxyde de carbone résultant de la combustion du gaz naturel. De plus, pour s'assurer d'obtenir une fluidisation équitable à travers le lit, un distributeur à tuyères a été conçu afin de permettre une flexibilité d'opération sous les conditions choisies. Pour empêcher l'entraînement des particules hors du réacteur, un cyclone ainsi qu'un filtre à haute température seront placés en série à l'intérieur de la zone de désengagement. Enfin, afin d'assurer que les vannes de régulation en aval du réacteur ne soit pas soumises à des températures supérieures à 300C, de l'eau distillée provenant d'un réservoir sous pression, sera pompée dans un purgeur vapeur à la sortie du réacteur. Ainsi, l'atteinte de l'objectif de ce travail consistant en la conception d'un réacteur gaz-solide à lit fluidisé pour un fonctionnement souple sous des conditions ambiantes et extrêmes, a été réalisé à travers une description détaillée du procédé et une procédure d'opération.