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Etude expérimentale et modélisation d'échangeurs compacts multifonctionnels en réaction catalytique

Guichard, Aurélie (2007) Etude expérimentale et modélisation d'échangeurs compacts multifonctionnels en réaction catalytique. (Experimental study and modelling of a multifunctionnal compact heat exchanger in catalytic reaction.)

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Abstract

Ce travail a pour objectif de démontrer l'intérêt de l'utilisation de structures d'échangeur compact telles que les ailettes ou les mousses métalliques pour les réactions catalytiques endothermiques gaz / solides. L'échangeur-réacteur utilisé a tout d'abord été caractérisé d'un point de vue hydrodynamique et thermique. Ce travail a conduit à l'établissement de corrélations spécifiques à chaque structure interne. Le vapo-reformage du méthanol a ensuite été choisi comme réaction modèle afin de tester les performances de l'appareil engagé en réaction catalytique hétérogène. Plusieurs revêtements catalytiques ont été testés et, le choix du catalyseur effectué, une étude en réaction de chaque structure a été réalisée afin de comparer les performances des géométries envisagées. Enfin, une simulation numérique basée sur un modèle de réacteurs parfaitement agités continus en cascade et tenant compte des phénomènes contrôlant la réaction catalytique hétérogène, a été validée par les études expérimentales. Cette modélisation a permis de dimensionner un prototype d'échangeurréacteur dans le cadre de l'alimentation d'une pile à combustible pour une automobile. ABSTRACT : Process engineering design is based on four principles: compactness, cost, security and environmental compatibility. These principles are well suited with those of sustainable development. In many chemical industrial processes, four main operations are considered: mixing, reaction, heat transfer and separation. Currently, these operations are carried out in separate devices. Thus the purpose of multifunctional heat exchangers is to combine at least two operations in one device. The term heat exchanger- reactor usually includes two processes, the chemical reaction and the heat transfer. The aim of this study is to demonstrate the interest of using compact heat exchangers (metallic fins orfoam) for catalytic reactions in process engineering. In this case, the heat exchanger is designed as a catalytic reactor, so its walls support the catalyst and the wall heat flux controls the rate of reaction. First, thermal hydraulic phenomena have been experimentally investigated to characterize the heatexchanger- reactor. This study allows to establish specific correlations for each structure. Therefore, the hydrogen production by methanol steam reforming has been selected as a model reaction to test performance of heat exchanger-reactor. Several coating techniques have been tested. Then, a systematic study with the chosen catalyst has been done for each structure to compare there chemical performances. Finally, the development and qualification of a mathematical model based on a series of CSTRs have been carried out to represent and describe the experiments. This modelling has been used to design a heat exchanger-reactor prototype to supply a fuel cell for a car.

Department or laboratory:Laboratoire de Génie Chimique - LGC (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Gourdon, Christophe
Uncontrolled Keywords:Echangeur-réacteur - multifonctionnel - échangeur de chaleur - réacteur catalytique hétérogène - ailettes - mousses métalliques - vapo-reformage du méthanol. KEYWORDS :Heat exchanger-reactor - multifunctional - compact - catalytic reaction - fins - metallic foam - methanol steam reforming
Subjects:Process engineering > Process and environmental engineering
Deposited On:06 March 2008

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