Revue des aspects hydrodynamiques des réacteurs catalytiques gaz-liquide-solide à lit fixe arrosé Hydrodynamics of Gas-Liquid-Solid Trickle-Bed Reactors: a Critical Review

Abstract

Bien que les aspects hydrodynamiques soient d'une importance primordiale lors de la conception et du fonctionnement d'un réacteur gaz-liquide-solide à lit fixe arrosé, les méthodes de calcul prédictif proposées sont restées fort rudimentaires. La plupart des études portant sur ce sujet ont été menées dans des conditions quasi atmosphériques alors que les réacteurs industriels fonctionnent à des pressions élevées. C'est seulement récemment que quelques résultats expérimentaux ont été obtenus à des hautes pressions, et des corrélations ont été proposées dans ces conditions pour prédire la transition entre les régimes ruisselant et pulsé, la perte de pression et le taux de rétention de liquide. L'objectif de cet article est double. D'une part, une synthèse y est présentée ; elle fait état des connaissances acquises sur les divers aspects hydrodynamiques du réacteur triphasique à lit fixe, incluant les récents développements réalisés à hautes pressions. D'autre part, les modèles et les corrélations actuels de transitions de régimes, de la perte de pression et du taux de rétention de liquide sont soumis à une analyse critique en confrontant leurs prédictions à l'ensemble des données expérimentales obtenues pour un large intervalle de la pression de fonctionnement du réacteur. Des conclusions objectives ont pu être tirées concernant les aptitudes des corrélations et des modèles actuels à être utilisées pour les calculs de conception des réacteurs triphasiques à lit fixe industriels. Malheureusement, il apparaît qu'aucun modèle de transitions entre les régimes ruisselant et pulsé n'est satisfaisant. Seule la corrélation empirique de Larachi et al. (1993) s'avère être jusqu'à présent la méthode la plus précise pour prédire la position de la frontière entre les régimes ruisselant et pulsé dans un large domaine de la pression de fonctionnement. Par ailleurs, aucune corrélation empirique de la perte de pression et du taux de rétention de liquide ne correspond à une erreur relative moyenne de prédiction acceptable. Seul le modèle phénoménologique étendu d'Al-Dahhan et al. (1998) semble constituer une technique satisfaisante pour la prédiction des deux paramètres hydrodynamiques en régime ruisselant. Néanmoins, son principal inconvénient réside dans la nécessité de déterminer préalablement les deux coefficients du modèle au moyen d'expériences sur des écoulements monophasiques gazeux. De telles expériences restent difficiles à réaliser dans la pratique. Il est cependant regrettable de constater qu'aucune des ces méthodes, qui se distinguent par leurs résultats, n'est basée sur une approche physique des phénomènes hydrodynamiques permettant d'améliorer la connaissance de ces écoulements et de prédire leur comportement en dehors des domaines de conditions expérimentales testées. De ce travail, il ressort la nécessité d'appliquer les outils classiques de la mécanique des fluides diphasique à la description de ces écoulements, en apportant une attention particulière aux phénomènes d'interactions hydrodynamiques auxquelles sont soumises les trois phases du système (gaz, liquide et solide). While it is recognised that the hydrodynamic aspects have a considerable importance in the design and the operation of gas-liquid-solid trickle-bed reactors, the accuracy of the proposed calculation methods remains poor. Most studies in this field have been performed in atmospheric conditions in contrast of industrial reactors operating at quite high pressures. Only recently, some experimental results have been obtained at elevated pressures and correlations have been proposed in these conditions in order to predict the tricking-pulsing transition, the pressure drop and the liquid holdup. The scope of this article is twice. Firstly, the knowledge on the several hydrodynamic aspects of three-phase trickle-bed reactors, including the recent developments performed at high operating pressures, is summarised. Secondly, the models and the correlations of regimes transitions, pressure drop and liquid holdup are submitted to critical evaluations by comparing their predictions with the set of experimental data obtained in a wide range of operating pressure. Some conclusions have been deduced concerning the ability of the correlations and the models to be used in the design procedures of industrial three-phase trickle-bed reactors. Unfortunately, it is shown that there is no model of trickling-pulsing regimes transitions which gives satisfactory results. Up this time, the empirical correlation of Larachi et al. (1993) is found to be the more accurate method for the prediction of the location of the boundary between the trickle and pulsed regimes in a wide range of operating pressure. In the other hand, no empirical correlation of pressure drop and liquid holdup corresponds to an acceptable mean relative error of prediction. To now, the phenomenological extended model of Al-Dahhan et al. (1998) appears to be the more satisfactory method for the predictions of the two hydrodynamic parameters in the trickle flow regime. However, it is necessary to determine the two coefficients of the model from experiments to be performed in single-phase gas flow. Finally, it is recommended to apply the two-phase fluid mechanics tools for describing of the gas-liquid flow through flxed bed reactors by devoting a particular attention to the hydrodynamic interactions phenomena between the three phases of the system (gas, liquid and solid).