Chapitre II Étude expérimentale du comportement du réacteur-
II. 4. Essais complémentaires avec dilution du catalyseur
Dans les parties précédentes, il a été démontré que pour atteindre des taux de conversion du CO2 élevé, il est nécessaire d’avoir des températures élevées au sein du réacteur. Cependant, des températures élevées conduisent à une dégradation ac-célérée du catalyseur. L’optimisation thermique du réacteur-échangeur est alors cru-ciale dans le but de maximiser les performances du réacteur dans le temps. La gestion thermique du réacteur-échangeur n’est pas pleinement traitée dans cette thèse. Ce-pendant, la raideur de la zone d’emballement thermique vis-à-vis des conditions opé-ratoires a conduit à s’interroger sur des solutions permettant de lisser cette zone d’emballement thermique et de réduire les températures maximales. Dans la sous-partie I.3.4, plusieurs voies ont été mentionnées, dont la diminution des dimensions caractéristiques, la dilution du gaz réactif, l’utilisation d’une recirculation du gaz, une alimentation multi-étagée ou un support catalytique conducteur.
La solution testée ici consiste en la dilution du catalyseur avec une poudre inerte. Le matériau inerte choisi est du carbure de silicium (SiC), possédant une conductivité thermique élevée (> 150 W.m-1.K-1). Le SiC sous forme de poudre, d’une granulométrie entre 300 et 400 µm, est mélangé au catalyseur. Les essais présentés dans la suite concernent un mélange SiC-catalyseur avec une fraction massique en SiC de 40 %, correspondant à une fraction volumique de 20 %.
La Figure II.42 présente les évolutions en régime stationnaire de la tempéra-ture maximale mesurée dans le lit et du taux de conversion du CO2 en fonction de la température opératoire. À titre de comparaison, les évolutions sans dilution du cata-lyseur sont représentées.
À la même température opératoire, la dilution du catalyseur conduit évidem-ment à une diminution du taux de conversion du CO2. Par exemple, à la température opératoire de 265°C, le taux de conversion du CO2 diminue de 42,2 à 25 %. Cette diminution de la conversion s’accompagne d’une diminution de la température maxi-male mesurée au sein du réacteur de 300°C sans dilution à 278°C avec dilution. Pour obtenir un taux de conversion du CO2 similaire dans la zone non-emballée avec la dilution du catalyseur, il faut augmenter la température opératoire à 280°C.
Figure II.42 – Évolutions stationnaires de la température maximale mesurée et du taux de conversion du CO2 obtenus en diluant le catalyseur en fonction de la tempé-rature opératoire pour une pression opératoire de 2,5 bar et des débits d’entrée de 0,25 NL/min de CO2 et 1 NL/min d’H2 (VVH = 15600 h-1).
Figure II.43 – Profils stationnaires de température obtenus en diluant le catalyseur en fonction de la température opératoire pour une pression opératoire de 2,5 bar et des débits d’entrée de 0,25 NL/min de CO2 et 1NL/min d’H2 (VVH = 15600 h-1).
température opératoire comprise entre 270 et 272°C. Avec la dilution du catalyseur, la zone d’emballement thermique est décalée vers des températures opératoires plus élevées comprises entre 290 et 295°C. Le taux de conversion du CO2 obtenu dans la zone emballée, à la température opératoire de 295°C, est alors de 77,6 %. Cette conversion est inférieure à celle obtenue dans la zone emballée sans dilution du cata-lyseur, qui est de 86,3 % à la température opératoire de 275°C. Cette diminution de la conversion s’accompagne de toute évidence d’une diminution des températures maximales d’environ 50°C dans la zone emballée.
Les profils stationnaires de température obtenus lors de la variation de la température opératoire sont présentés Figure II.43. Le pic de température apparait très proche de l’entrée du réacteur. La forme du pic est similaire à celle observée sans dilution du catalyseur.
Plusieurs conclusions peuvent être tirées de ces essais. D’une part, malgré la dilution du catalyseur, la zone d’emballement thermique demeure très raide et est décalée à des températures opératoires plus élevées. La température maximale at-teinte dans le réacteur dans un état d’emballement thermique est plus faible d’envi-ron 50°C. De plus, la forme et la largeur du pic de température sont similaires à celle observées dans les essais avec le catalyseur pur. Il apparait donc que la dilution du catalyseur, avec une poudre dont le matériau dense est hautement conducteur ther-miquement, ne permet pas d’augmenter significativement les échanges thermiques dans le lit fixe. À titre de comparaison, les essais de caractérisation des paramètres thermiques de la poudre, présentés dans la suite, seront aussi effectués avec du cata-lyseur dilué et permettront de confirmer cette hypothèse. Le décalage de la zone d’emballement thermique semble alors être principalement dû à la diminution de la densité apparente du catalyseur. D’autre part, ces essais mettent toutefois en évi-dence une solution d’optimisation thermique du réacteur. En effet, pour un réacteur fonctionnant à la température opératoire de 280°C, il est possible de répartir le rem-plissage du réacteur en deux zones catalytiques. La première partie, à l’entrée du réacteur, remplie de catalyseur dilué et le reste du réacteur rempli avec du catalyseur « pur ». Cette première partie, non emballé thermiquement, permet d’amorcer la réaction et ainsi de diminuer les températures maximales atteintes dans la seconde partie du réacteur. La longueur de la seconde zone du réacteur devra alors être adap-tée pour atteindre des conversions élevées.
Figure II.44 – Évolution stationnaire du taux de conversion du CO2 obtenu en diluant le catalyseur avec la maquette de réacteur-échangeur en fonction de la VVH pour une température opératoire de 300°C et une pression opératoire de 2,5 bar.
Figure II.45 – Profils stationnaires de température obtenus en diluant le catalyseur en fonction de la VVH en h-1 pour une température opératoire de 300°C et une pres-sion opératoire de 2,5 bar.
du catalyseur dilué. Dans cette étude, les débits varient respectivement entre 0,19 et 0,75 NL/min pour le CO2 et entre 0,75 et 3 NL/min pour l’hydrogène, correspondant à une variation de la VVH de 11700 à 46900 h-1.
L’évolution du taux de conversion du CO2 en fonction de la VVH est présentée Figure II.44. L’augmentation de la VVH conduit, comme attendu, à une diminution du taux de conversion du CO2. Une diminution plus importante est observée lors du passage d’une VVH de 39000 à 46900 h-1. En traçant les profils de température cor-respondant (voir Figure II.45), cette dernière augmentation de la VVH conduit à une diminution de la température maximale et à un élargissement du pic de température. Comme mentionnée dans l’étude sans dilution du catalyseur, la forme du pic de température est la résultante d’un couplage complexe entre les réactions chimiques, la vitesse du gaz et le transfert thermique dans le réacteur. Il semble toutefois que l’influence du transfert thermique augmente à mesure que la VVH augmente. En augmentant davantage la VVH, il serait possible que le maximum de température soit à la sortie du réacteur. La formation d’un point chaud à l’intérieur du réacteur ne serait plus possible à cause de l’évacuation de la chaleur par convection.
La dernière partie de l’étude avec la dilution du catalyseur a porté sur l’ap-parition des fronts d’onde thermique. L’apl’ap-parition de ces fronts d’onde a été observée lors d’une diminution de la température opératoire de 300 à 280°C sur une durée de 5 min et est présentée Figure II.46.
La diminution de la température opératoire fait déplacer le pic de température vers l’aval du réacteur. Cependant, contrairement à l’étude avec un catalyseur pur, le pic de température s’atténue au sein du réacteur à la cote de 65 mm. L’état sta-tionnaire à 280°C est alors atteint en 360 s. L’atténuation rapide du pic de tempéra-ture est directement causée par la dilution du catalyseur. En effet, le terme source chimique diminue globalement en diluant le catalyseur et ne permet donc plus de maintenir le pic de température jusqu’à la sortie du réacteur.
Figure II.46 – Évolution temporelle du profil de température obtenu avec une dilution du catalyseur suite à une diminution de la température opératoire de 300 à 280°C sur une durée de 5 min (4 K.min-1). (Conditions : P = 2,5 bar ; VVH = 15600 h-1)