2.2.2.  Influence de la taille des thermocouples sur la mesure des profils

Un exemple de profil de température mesuré au sein de la maquette réacteur-échangeur est présenté Figure II.7. Pour faciliter la lecture des courbes dans la suite, des traits en pointillés relient tous les points. Cette figure compare les profils de température obtenus dans le réacteur équipé de thermocouples de 1 mm et celui équipé de thermocouples de 0,5 mm. Cette comparaison est effectuée dans les condi-tions opératoires de la référence 1, c’est-à-dire dans un état éteint, ou non-emballé.

Figure II.7 – Profils de température mesurés par les thermocouples au sein de la maquette de réacteur-échangeur dans les conditions de la référence 1.

solution précise du profil de température. La température maximale est atteinte en un point proche de l’entrée du réacteur, à la même cote dans les deux cas. Une nette différence de la température mesurée est observée entre les deux versions de réacteur, jusqu’à 13°C au niveau du point chaud. Cette différence est attribuée à la taille des thermocouples et en particulier au rapport entre la profondeur d’insertion et le dia-mètre du thermocouple. Le thermocouple n’indiquant que la température de la sou-dure, un écart de température peut être observé entre la « vraie » température du milieu poreux et celle du capteur. Par ailleurs, la « température du milieu poreux » est elle-même complexe, elle inclut les températures du gaz, du catalyseur et les phénomènes de conduction à travers le thermocouple. Parler de température du lit ou du milieu poreux en référence aux températures mesurées, comme cela est fait en pratique, constitue rigoureusement un abus de langage. Cela est toutefois toléré si le ratio « profondeur d’insertion / diamètre du thermocouple » est suffisamment grand. La valeur limite est généralement fixée à 10 par les fournisseurs de thermo-couple et ce critère diminue en présence de convection forcée dans le milieu. En utilisant des thermocouples d’un diamètre de 0,5 mm, ce critère est considéré validé. Par contre, l’utilisation de thermocouples de 1 mm de diamètre dans le réacteur-échangeur ne permet pas de mesurer de manière précise la température du milieu. Cependant, dans tous les essais réalisés, stationnaires ou dynamiques, le comporte-ment thermique qualitatif du réacteur est bien représenté avec des thermocouples de 1 mm, mais à des températures inférieures. Le taux de conversion du CO2 en sortie du réacteur est similaire dans les deux cas et vaut 37 % (± 1 %).

La présence des thermocouples influe sur le comportement thermique du lit catalytique. Les thermocouples participent en effet au transfert thermique par un effet d’ailette. La chaleur conduite dans la gaine du thermocouple tend à réduire les températures mesurées au niveau de la soudure. Il est alors évident que plus le dia-mètre du thermocouple est grand, plus l’effet d’ailette est important. Un second phé-nomène qui entre en jeu est que la présence du thermocouple diminue la densité du catalyseur localement. Toutefois, au regard des conversions similaires obtenues entre un réacteur équipé de thermocouples de 1 mm et celui équipé de thermocouple de 0,5 mm, ce phénomène ne semble pas significatif.

La Figure II.8 présente les profils de température obtenus dans les conditions opératoires de la référence 2, dans lesquelles le réacteur est dans un état d’emballe-ment thermique. Le même constat peut être effectué concernant l’influence de la taille des thermocouples sur les valeurs de températures mesurées. La différence de

traire, les résultats dans la suite ne concerneront que le réacteur muni de thermo-couples de diamètre 0,5 mm.

Sur la Figure II.8, le front de température est très raide et est localisé à l’en-trée du réacteur. En quelques centimètres seulement, la température dans le lit s’élève de 280 à presque 600°C, soit une élévation de 320°C. La résolution du profil de tem-pérature est satisfaisante compte tenu de la raideur du front. La valeur maximale de la température du lit peut alors être facilement estimée même si cette dernière n’est vraisemblablement pas mesurée.

Figure II.8 – Profils de température mesurés par les thermocouples au sein du lit fixe de la maquette de réacteur-échangeur dans les conditions de la référence 2.

Cette expérience met en évidence la forte exothermicité de la réaction. Il y a une forte élévation de la température au centre du lit dès l’entrée du réacteur. Malgré les dimensions réduites entre le centre du lit et le fluide caloporteur, de l’ordre de quelques millimètres, un écart de température d’environ 300°C est mesuré entre ces deux milieux. Ce dernier constat interpelle sur la résistance thermique du lit cataly-tique, vraisemblablement très élevée.

Le comportement thermique du réacteur peut se décomposer en deux zones. Dans la première zone, lorsque les réactifs entrent dans le lit catalytique, la forte exothermicité de la réaction conduit à un emballement thermique. Au niveau du

pérature de 600°C, l’équilibre thermodynamique est proche. La température du lit diminue alors rapidement grâce au système de refroidissement jusqu’à une tempéra-ture légèrement supérieure à celle du liquide de refroidissement. La seconde zone (à des coordonnées axiales supérieures à 50 mm) correspond à une zone « froide », favorable à l’équilibre thermodynamique. Le taux de conversion atteint en sortie de réacteur est de 83,5 %.

Il est important de souligner que les hautes températures observées sont né-fastes pour les performances du réacteur dans le temps. Par ailleurs, les effets de la dégradation du catalyseur sont observés au cours des essais et sont présentés dans la suite.