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Submitted on 21 Feb 2013
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Modélisation et expérimentation des transferts de matière et de quantité de mouvement dans les réacteurs
à lit fixe
François Lesage
To cite this version:
François Lesage. Modélisation et expérimentation des transferts de matière et de quantité de mouve- ment dans les réacteurs à lit fixe. Génie des procédés. Institut National Polytechnique de Lorraine - INPL, 2000. Français. �tel-00790847�
Institut National Polytechnique de Lorraine
D´epartement de formation doctorale en g´enie des proc´ed´es Ecole doctorale RP2E´
Mod´ elisation et exp´ erimentation des transferts de mati` ere et de quantit´ e de mouvement dans les r´ eacteurs ` a lit fixe
TH` ESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 10 novembre 2000 pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
(sp´ecialit´e G´enie des Proc´ed´es)
par
Fran¸cois LESAGE Ing´enieur ENSIC
Composition du jury
Pr´esident : M. G. VALENTIN, Directeur de Recherches (ENSIC-INPL) Rapporteurs : M. J. COMITI, Professeur (IUT de Saint-Nazaire)
M. C. DESLOUIS, Directeur de Recherches (Universit´e de Paris VI) Examinateurs : M. M.A. LATIFI, Professeur (ENSIC-INPL)
M. N. MIDOUX, Professeur (ENSIC-INPL)
Mme D. TOYE, Charg´ee de recherches (Universit´e de Li`ege)
Laboratoire des Sciences du G´enie Chimique — UPR 6811
A mes parents
Table des gures vi
Liste des tableaux ix
Nomenlature 1
Introdution générale 5
1 Dispositif expérimental, tehniques de mesure et traitement du sig-
nal 8
1.1 Le réateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Mesure de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Miro-életrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Prinipegénéral etuides utilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Quelques éléments dethéorie sur lesmiro-életrodes . . . . . . 12
1.3.3 Reonstrution du signal degradient devitesse . . . . . . . . . 14
1.3.4 Coneption etimplantationdes életrodes . . . . . . . . . . . . 16
1.3.5 Appareillage életronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.6 Etalonnage des életrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.7 Mise en÷uvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4 Caratéristiques physiohimiques des uides utilisés . . . . . . . . . . 21
1.5 Analyse du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.1 Grandeurs statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.2 Analyse enfréquene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.3 Analyse temps-fréquene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.4 MéthodeVITA et traitementassoié . . . . . . . . . . . . . . . 25
I Eléments de modélisation 29
2 Modélisation en éoulement monophasique 30
2.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Modélisation etsimulation numériquede l'éoulement. . . . . . . . . . 30
2.2.1 Etablissementdes équationsdu modèle . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 Modélisation dela variationde porosité . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 Modèle monodimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.4 Résultats du modèle monodimensionnel . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.5 Modèle bidimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.6 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.7 Formulation envolumesnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.8 Résultats des simulations par laméthodedes volumes nis . . . 57
2.3 Modélisation du transfert dematière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.1 Equations du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.2 Modèle piston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3.3 Résultats du modèle piston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3.4 Modèle àdeux zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3.5 Résultats du modèle à deuxzones . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.6 Modèle monodimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.7 Résultats du modèle monodimensionnel . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.8 Résolution de l'équationomplète (bidimensionnelle) . . . . . . 67
2.4 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3 Modélisation de l'éoulement biphasique 70 3.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Revue bibliographique suinte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3 Mise enéquation du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1 Equations envariablesprimaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2 Formulation pression- saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.3 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4 Méthodes de résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4.1 Première approhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4.2 Seonde approhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.1 Établissementde l'éoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.2 Comparaison auxdonnées expérimentales . . . . . . . . . . . . 79
3.6 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
II Résultats expérimentaux 83 4 Résultats expérimentaux en éoulement monophasique de liquide 84 4.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2 Régimesd'éoulementenéoulementmonophasique:étudebibliographique 84 4.3 Résultats des mesures par miroéletrodes internes . . . . . . . . . . . 85
4.3.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3.2 Analyse statistiquedes signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 Spetres de puissane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.4 Autoorrélations des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.5 Interorrélationsdes mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.6 Analyse fréquentielle :onlusions. . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.7 Interprétation du transfert dematière liquide-solide à l'aide de la méthode VITA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5 Résultats expérimentaux en éoulement biphasique 107 5.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2 Régimes d'éoulement et aratérisation de l'hydrodynamique : bibli- ographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2.1 Transitions derégime. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.2 Propriétés hydrodynamiques des pulsations . . . . . . . . . . . 109
5.3 Mesures loales de pression: résultatsexpérimentaux . . . . . . . . . . 110
5.3.1 Transitions derégime etfréquene de pulsation . . . . . . . . . 110
5.3.2 Vitesse de passagedes pulsations . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.4 Miroéletrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4.2 Examen et remarquespréliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4.3 Analyse statistiqueet fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.5 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Conlusion générale et perspetives 125
Bibliographie 128
Annexes 133
A Modèle à deux zones : détail des aluls 134
B Convertisseur ourant/tension 137
C Titrage des solutions 139
C.1 Protoole opératoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
C.2 Analyse des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
1.1 Dispositifexpérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Détail du distributeur deuides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Positionnement des apteursde pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Détail d'un apteurdepression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Shéma de prinipede l'életrodeen paroiinerte . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 Fontion detransfert életrohimiqueH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7 Shéma d'une sonde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8 Photographie mirosopique d'unesonde életrohimique . . . . . . . . . . 17
1.9 Assemblage des sondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.10 Sondes életrohimiquesdisposées entétraèdre . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.11 Positionnement des sondes dans laolonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.12 Shéma de prinipedu onvertisseur ourant/tension . . . . . . . . . . . . 19
1.13 Réponse à un éhelon de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.14 Détermination del'aire de lasonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.15 Courbesintensité-potentiel pour diérents débitsde liquide . . . . . . . . . 21
1.16 Tempsaratéristiques deCxx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1 Fontions deporosité - ε¯= 0,39 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Prols de vitesse aluléspar lemodèle 1D, α=εα′ . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 Prols de vitesse aluléspar lemodèle 1D, α=ε(ρ)α′ . . . . . . . . . . . 40
2.4 Gradients devitesse àla paroi : omparaisondes simulations auxmesures expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Comparaison des pertes de harges simulées (1D)et expérimentales . . . . 42
2.6 Comparaison des simulationsavelemodèle de Vortmeyer etShuster . . . 43
2.7 Visosité eetive µe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8 Quantiation del'eet deparoi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.9 By-pass modié pour diérents rapports Dc/dp . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.10 Prols axiaux devitesse Modèle 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.11 Prols radiaux de vitesse Modèle 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.12 Comparaison des modèles 1D et2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.13 Zonesdealuldesdiérentstermesdeséquationsdeonservationdequan- tité de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.14 Représentationd'un volume deontrle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.15 Prols de vitesses radiales et axiales obtenus par la méthode des volumes nis Prol de porositéde Cohenet Metzner Rep=200 . . . . . . . . . . 58
