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Quenching runaway reactions : hydrodynamics and jet injection studies for agitated reactors with a deformed free-surface

Torré, Jean-Philippe (2007) Quenching runaway reactions : hydrodynamics and jet injection studies for agitated reactors with a deformed free-surface. (Mieux maîtriser les emballements thermiques dans les réacteurs chimiques : études hydrodynamique et injection d'un jet dans les réacteurs agités possédant une surface libre non-plane.)

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Prix Léopold Escande 2008 (more)

Abstract

Pour stopper un emballement thermique dans un réacteur chimique, un moyen efficace consiste à introduire une faible quantité d'un inhibiteur liquide appelé « killer » dans la cuve agitée. Tout au long de cette thèse, l'approche expérimentale a été fortement couplée à la modélisation numérique par Computational Fluid Dynamics (CFD). La première partie du manuscrit porte sur l'hydrodynamique des réacteurs partiellement chicanés incluant la prise en compte du vortex central qui se forme à leur surface. L'utilisation d'une approche numérique multiphasique, non-homogène a permis de modéliser la déformation de la surface-libre, et la faisabilité de cette méthode innovante a été démontrée par un très bon accord entre prédictions numériques et données expérimentales. Dans une deuxième partie, l'introduction d'un jet de liquide sur la surface libre a été couplée à l'hydrodynamique du réacteur. Les résultats numériques, obtenus avec une approche Eulerienne-Lagrangienne, ont également montré un bon accord avec les données expérimentales. Ces résultats ont permis de modéliser la trajectoire du jet, de quantifier sa pénétration dans la cuve agitée, et de définir de nouveaux critères de mélange. Enfin, les méthodes numériques validées à l'échelle pilote ont été étendues à l'échelle industrielle et ont permis de proposer des améliorations concrètes pour une meilleure sécurité des réacteurs industriels étudiés. ABSTRACT : To quench a thermal runaway reaction in a chemical rector, an efficient approach is the introduction of a small quantity of a liquid inhibiting agent, named a “killer”, into the mixing vessel. In this thesis, an experimental approach has been coupled tightly with numerical modelling using Computational Fluid Dynamics (CFD). The first part of this thesis is devoted to a study of the hydrodynamics of partially-baffled mixing vessels, including the free-surface deformation caused by the central vortex. The use of an inhomogeneous, multiphase approach allowed simulation of the free-surface deformation. The capability of this novel method was demonstrated by very good agreement between the numerical predictions and experimental data. In the second part, liquid jet injection at the free-surface was coupled with the vessel hydrodynamics. Numerical results, obtained using an Eulerian-Lagrangian approach, have again shown good agreement with experimental data. These results allowed the jet trajectory to be modelled and its penetration into the agitated vessel was quantified. New mixing criteria were introduced that are specific to this application. Finally, the numerical methods validated at the pilot scale were applied at the industrial scale and allowed the proposal of practical improvements to the safety of the synthesis reactors studied

Other Institution (co-tutelle):University of Sydney
Department:Laboratoire de Génie Chimique - LGC (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Xuereb, Catherine and Haynes, B.S.
Uncontrolled Keywords:Agitation et mélange - Mécanique des fluides numérique (CFD) - Cuve agitée partiellement chicanée - Surface libre - Vélocimétrie par images de particules (PIV) - Jet - Emballement thermique - S-PVC. KEYWORDS : Agitation and mixing - Computational Fluid Dynamics (CFD) - Partially-baffled agitated vessel - Free-surface - Particle Image Velocimetry (PIV) - Jet injection - Thermal runaway - S-PVC
Subjects:Chemical engineering > Reaction and reactors engineering
Process engineering > Process and environmental engineering
Deposited On:07 April 2008

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