Chapitre II Étude expérimentale du comportement du réacteur-
II. 3.1.2. Diminution de la température opératoire
La même étude est effectuée dans cette section pour une diminution de la température opératoire. Une diminution de la température opératoire dans la zone éteinte conduit à une diminution progressive et homogène des températures dans le réacteur (voir Figure II.27). Ce comportement est analogue à celui observé dans le cas d’une augmentation de la température opératoire dans la zone éteinte, mais avec une trajectoire opposée. Le constat est identique dans le cas d’une diminution de la température opératoire d’une zone emballée à une autre zone emballée. La diminution de la température opératoire conduit à un faible déplacement du pic de température vers l’aval du réacteur.
Le dernier cas concerne donc l’extinction du réacteur, c’est-à-dire une dimi-nution de la température opératoire conduisant au passage d’un état emballé à un état éteint. Ainsi, la Figure II.28 et Figure II.29 présentent l’évolution temporelle du profil de température respectivement lors de la diminution de la température opéra-toire de 275 à 270°C sur une durée de 5 min et de 280 à 260°C sur une durée de 10 min.
Figure II.27 – Évolution temporelle du profil de température au sein de la maquette de réacteur-échangeur suite à une diminution de la température opératoire de 270 à 260°C sur une durée de 5 min (- 2 K.min-1). (Conditions : P = 2,5 bar ; VVH = 15600 h-1)
Figure II.28 – Évolution temporelle du profil de température au sein de la maquette de réacteur-échangeur suite à une diminution de la température opératoire de 275 à 270°C sur une durée de 5 min (- 2 K.min-1). (Conditions : P = 2,5 bar ; VVH = 15600 h-1)
thermique qui traversent l’ensemble du réacteur et sortent du réacteur. Ces fronts d’onde thermique sont similaires à ceux observés par Puszynski et Hlaváček (1984) présentés Figure I.10. Ces auteurs avaient mis en évidence l’apparition de ces fronts d’onde thermique suite à une diminution de la température d’entrée. Dans le cas de la maquette de réacteur-échangeur, la température opératoire concerne simultané-ment la température du caloporteur et la température d’entrée, égale à la tempéra-ture du caloporteur du fait des phénomènes de conduction thermique dans le réacteur et dans le fritté.
Figure II.29 – Évolution temporelle du profil de température au sein de la maquette de réacteur-échangeur suite à une diminution de la température opératoire de 280 à 260°C sur une durée de 10 min (- 2 K.min-1). (Conditions : P = 2,5 bar ; VVH = 15600 h-1)
Contrairement au cas exposé par Puszynski et Hlaváček (1984), l’onde ther-mique ne disparait pas au sein du réacteur-échangeur. Celle-ci est entretenue jusqu’à la sortie du réacteur. Le pic de température est entretenu au sein du réacteur grâce à l’apport continuel de réactif dans le réacteur. Cependant, l’amplitude des ondes thermiques semble s’atténuer à mesure que le pic se déplace vers l’aval du réacteur. Il est probable, dans un réacteur-échangeur d’une longueur supérieure, que l’onde thermique s’atténue et disparaisse à l’intérieur du réacteur. Dans l’ensemble des es-sais réalisés, quelle que soit la variation de la température opératoire entraînant un passage d’un état emballé à un état éteint, cette trajectoire thermique a été observée.
est de 300 s. Le profil de température à l’instant t = 320 s se situe toujours dans le réacteur. L’état stationnaire thermique à la température opératoire de 270°C est at-teint au bout de 500 s, soit 200 s après la fin de la rampe de température opératoire. De même dans le cas de la Figure II.29, l’état stationnaire est atteint après 750 s, soit 150 s après la fin de la diminution de la température opératoire.
Figure II.30 – Évolutions temporelles de la fraction molaire de méthane en sortie et de la température mesurée par les thermocouples au sein de la maquette de réacteur-échangeur suite à une diminution de la température opératoire de 280 à 260°C sur une durée de 10 min (- 2 K.min-1). (Conditions : P = 2,5 bar ; VVH = 15600 h-1)
Le suivi de la température mesurée par les thermocouples et de la fraction molaire du méthane en sortie mesurée par le détecteur infrarouge, dans le cas de la diminution de la température opératoire de 280 à 260°C, est présenté Figure II.30. Les paliers qui sont observés avec le détecteur infrarouge sont dus à un temps de renouvellement du gaz dans la chambre de mesure du détecteur. À l’instant t = 0 s, le réacteur est dans un état stationnaire à la température opératoire de 280°C. Un maximum de 595°C est mesuré au niveau du thermocouple 5 et la fraction molaire du méthane est de 52 %, ce qui correspond à un taux de conversion du CO2 de 84 %. La diminution de la température opératoire entraine donc un mouvement du pic de température vers l’aval du réacteur. Ce pic passe devant tous les thermocouples du réacteur et un maximum de température à 550°C est encore mesuré au dernier
ther-ment du pic de température vers l’aval du réacteur conduit à une diminution de la fraction molaire du méthane. Cette diminution est lente car la présence du pic de température dans le réacteur permet de maintenir des vitesses de réactions élevées et donc une conversion globale élevée. À l’instant t = 750 s, une rupture de pente est observée dans le suivi de la fraction molaire du méthane. Celle-ci est causée par la sortie du réacteur du pic de température, ce qui fait chuter soudainement la vitesse des réactions chimiques et donc la conversion globale du réacteur. La fraction molaire du méthane converge ensuite rapidement vers 7,3 %, ce qui correspond à un taux de conversion de 28 %.
Figure II.31 – Évolution de la vitesse de déplacement du pic de température au cours du temps au sein de la maquette de réacteur-échangeur suite à une diminution de la température opératoire de 280 à 260°C sur une durée de 10 min (- 2 K.min-1). (Con-ditions : P = 2,5 bar ; VVH = 15600 h-1)
Sur la Figure II.30 également, les pics de température mesurés par les ther-mocouples s’affinent au cours du temps. Cela peut être causé par une diminution de la largeur du pic de température lors du déplacement dans le réacteur, ou par une accélération des pics. La largeur du pic de température varie peu lors du déplacement, d’après les Figure II.28 et Figure II.29. Le calcul de la vitesse de déplacement du pic de température est effectué en considérant le déplacement du maximum des tempé-ratures mesurées. Les variations de la vitesse de déplacement du pic de température et de la température opératoire au cours du temps sont présentées Figure II.31. Entre
température bouge très peu car la variation se situe dans la zone où l’état du réacteur est emballé. Une vitesse de déplacement du pic de température de 0,1 mm.s-1 est observable à partir de 80 s. Lorsque la température opératoire traverse la zone d’em-ballement thermique, comprise entre 270 et 274°C, la vitesse de déplacement du pic augmente rapidement jusqu’à des vitesses supérieures à 0,45 mm.s-1. Après la zone d’emballement thermique, la vitesse de déplacement du pic de température tend à être constante jusqu’à la sortie du réacteur.
La même diminution de la température opératoire de 280 à 260°C, mais effec-tuée sur une durée de 40 min, est présentée Figure II.32. Une trajectoire thermique similaire est également observée. Cependant, une atténuation de la température du réacteur plus importante de 90°C est obtenue dans ce cas.
Figure II.32 – Évolution temporelle du profil de température au sein de la maquette de réacteur-échangeur suite à une diminution de la température opératoire de 280 à 260°C sur une durée de 40 min (- 0,5 K.min-1). (Conditions : P = 2,5 bar ; VVH = 15600 h-1)
En représentant de la même manière la vitesse de déplacement du maximum de température au cours du temps (Figure II.33), une augmentation de la vitesse de déplacement est observée à partir de 1150 s. Cette accélération se produit à proximité de la zone d’emballement thermique, entre les températures opératoires de 273 et 275°C.
sant varier la température opératoire lorsque le réacteur est dans un état emballé. Les fronts d’onde thermique apparaissent dans le cas où une diminution de la tem-pérature opératoire conduit au passage d’un état emballé à un état éteint. Ils se traduisent par une augmentation de la vitesse de déplacement des pics de tempéra-ture et à un déplacement du pic vers l’aval du réacteur. Les fronts d’onde s’atténuent pendant le déplacement et, dans le cas étudié, sortent du réacteur. Ces fronts d’ondes pourraient éventuellement s’atténuer à l’intérieur du réacteur si celui-ci était suffi-samment long. Lorsque les fronts d’onde thermique apparaissent, l’ensemble du ré-acteur est soumis à des hautes températures, pouvant alors accentuer les phénomènes de diminution de l’activité catalytique, soulignés dans la section II.2.2.6.
Figure II.33 – Évolution de la vitesse de déplacement du pic de température au cours du temps au sein de la maquette de réacteur-échangeur suite à une diminution de la température opératoire de 280 à 260°C sur une durée de 40 min (- 0,5 K.min-1). (Conditions : P = 2,5 bar ; VVH = 15600 h-1)
Les expériences d’allumage du réacteur et d’extinction ont été effectuées pour une variation de la température opératoire entre les états stationnaires à 260°C et à 280°C. La comparaison des profils de température dans ces deux cas montre que les trajectoires empruntées sont très différentes. Cette différence peut alors être qualifiée d’hystérésis.