3.3.1.  Comportement thermique et profil du taux de conversion du

con-version du CO

La Figure III.24 superpose les profils de température mesuré et calculé et le profil du taux de conversion du CO2 calculé le long du réacteur dans les conditions opératoires de la référence 2, c’est-à-dire pour un état emballé du réacteur. Le taux de conversion calculé ici consiste à un bilan de matière sur les espèces carbonées. En toute rigueur, ce calcul n’est pas applicable localement car les variations des flux des espèces ne sont pas seulement dues aux réactions chimiques, mais aussi aux disper-sions hydrodynamiques. Cependant, il a été souligné précédemment qu’il existe un fort gradient de température radial dans le lit fixe, ce qui conduit à des comporte-ments au centre du lit et aux abords de la paroi différents qui seront soulignés dans un paragraphe ultérieur.

Sur cette figure, le taux de conversion à l’équilibre thermodynamique à la température du lit fixe est également représenté. Comme mentionné précédemment sur ces courbes, le profil de température calculé est en cohérence avec les valeurs expérimentales et le taux de conversion du CO2 en sortie du réacteur est également bien estimé avec le modèle.

Comme cela a été pressenti, c’est aux abords du pic de température que la majorité des réactifs est convertie. Notamment sur la Figure III.24, un taux de con-version du CO2 simulé de 82,8 % est déjà atteint à la fin du pic de température à la cote de 40 mm. Les 120 derniers millimètres permettent d’augmenter la conversion de 82,8 à 85,6 %. Dans ce cas précis, 97 % de la conversion totale est donc effectuée dans la zone du pic de température.

Le profil du taux de conversion du CO2 est tracé à la fois au centre du lit fixe et proche de la paroi du réacteur. Une légère différence du profil de conversion est observée, avec une inflexion dans le cas de la conversion calculée au centre du lit

zone proche de la paroi du réacteur vers le centre du lit. D’après la Figure III.19, un gradient de température d’environ 100°C existe entre le centre du lit et la zone en proche paroi. Cela conduit à une consommation des réactifs plus élevée au centre et donc à un gradient de concentration. La représentation des flux de matière sur cette simulation a montré qu’en effet, les réactifs sont transportés vers le centre du lit. En aval du pic de température, les profils du taux de conversion du CO2 deviennent confondus car ces gradients de température et de concentrations deviennent très faibles.

Figure III.24 – Profils de température du lit et du taux de conversion du CO2 mesurés et calculés le long du réacteur dans les conditions opératoires de la référence 2 (T = 280°C, P = 2,5 bar et VVH = 15600 h-1).

Le modèle cinétique se base sur la formulation semi-empirique de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson et dans cette formulation, un terme de potentiel repré-sente l’écart du système à l’équilibre (voir premier chapitre). Ce terme de potentiel est indirectement lié à la différence entre le taux de conversion à l’équilibre thermo-dynamique et celui calculé au sein du lit fixe. Il est évident que ce potentiel est maximal à l’entrée du réacteur et diminue lorsque la conversion augmente et/ou que la température du milieu augmente.

La représentation du taux de conversion à l’équilibre thermodynamique sur la Figure III.24 permet ainsi de développer l’analyse du comportement du réacteur.

taux de conversion et de la température du lit. Le taux de conversion à l’équilibre diminue car la température du milieu réactionnel augmente. À la température maxi-male atteinte dans le réacteur de 600°C, l’équilibre thermodynamique est quasiment atteint car le taux de conversion simulé est de 66,7 %, pour un taux de conversion à l’équilibre thermodynamique de 68,7 %. Pour ces valeurs, le terme de potentiel tend à être nul et, par conséquent, les vitesses de réactions s’annulent et le refroidissement du réacteur devient prédominant. La température du lit chute alors jusqu’à une tem-pérature proche de la temtem-pérature du fluide caloporteur. La diminution de la tempé-rature du lit s’accompagne d’une augmentation du taux de conversion à l’équilibre thermodynamique. Dans le reste du réacteur où le dégagement de chaleur est très faible, la conversion tend asymptotiquement vers sa valeur à l’équilibre de 97,2.

Figure III.25 – Profils de concentration au centre du lit des différentes espèces le long du réacteur à une température opératoire de 280°C, une pression opératoire de 2,5 et une VVH de 15600 h-1.

La Figure III.25 présente les profils de concentration des différentes espèces au centre du lit dans les mêmes conditions opératoires. Conformément à ce qui est attendu, les concentrations du dioxyde de carbone et du dihydrogène diminuent ra-pidement au niveau du pic de température et inversement celles du méthane et de l’eau augmentent. Un pic de monoxyde de carbone est également observé, montrant alors que la réaction de RWGS se produit dans le milieu réactionnel. Celle-ci ne se

celui-ci est consommé dans la réaction de méthanation du CO. Remarque :

Pour atteindre des taux de conversion plus élevés, et en particulier les spéci-fications du réseau dans le cadre du Power-to-Methane, en un seul étage de refroi-dissement, il faudrait alors augmenter considérablement la longueur du réacteur. La conversion s’effectue principalement au niveau du pic de température et le reste du réacteur fonctionne dans un état quasi-isotherme où les vitesses de réactions sont faibles. Des voies d’optimisations thermiques sont alors possibles dans le but d’aug-menter la conversion totale du CO2. Si un seul étage de méthanation est souhaité, il est possible, comme déjà mentionné, de coupler l’utilisation d’un catalyseur dilué ou d’un catalyseur déposé sur des supports conducteurs et d’un catalyseur pur pour créer deux (ou plus) zones réactionnelles. En procédant ainsi, le réacteur peut fonc-tionner globalement dans des conditions opératoires plus sévères en température et pression. D’autres voies d’optimisation sont également possibles, telles que l’utilisa-tion de plusieurs zones de refroidissement ou d’une alimental’utilisa-tion multi-étagée.