Computational Fluid Dynamics Applied to Chemical Reaction Engineering

La mécanique des fluides numérique appliquée au génie des réactions chimiques

Institut Français du Pétrole

Abstract

Computational Fluid Dynamics (CFD) and its applications have developed quite rapidly during the last ten years. This fast growing hybrid branch of Mechanics and Mathematics is certainly to be considered as a potentially useful and efficient tool in the field of Chemical Engineering and more specifically in the area of Chemical Reaction Engineering (CRE). The difficulties in this new approach stems from the consequence of the complexity of the mechanims to be simulated simultaneously : fluid dynamics, chemical reactions and physical aspects of each system considered. Another difficulty comes from the numerical treatment of the equations for the final model, resulting in very sophisticated and diversified mathematical treatments. The types of chemical reactors to be considered for potential performance improvements when applying CFD as a new tool for their design are numerous ; two broad classes of problem have be identified as relevant to this new approach :(a) Systems involving fast chemical reactions, with characteristic times of the same order of magnitude as the characteristic time scales of turbulence. In-line mixing equipment should preferably be studied for this type of reactions. (b) Multiphase systems, whose scaling-up still has to be performed with great difficulty and, more often than not, according to empirical procedures based on very simplified models. When looking at the various types of systems found in practice, it appears that gas-liquid and fluid-solid systems should be considered first. However, basic knowledge is still missing concerning the physical behaviour of these systems, especially for the coalescence of bubbles and the momentum transfer between gas and solid. Specific research should be done in order to get this missing information. Presently there are a certain number of existing CFD software packages available commercially or developed by various research laboratories. This is certainly an interesting starting point, but we can never be sure that the numerical results given by any of these software packages are applicable to a practical industrial case, without checking these results in one way or another. There is quite general agreement on the necessity of obtaining experimental data concerning problem examples, in order to check and compare the computation results of the various software packages proposed for dealing with these specific problems. On the experimental side, there are a great deal of measurement methods able to give local values of temperature, pressure, velocities, concentrations of chemical species, phases ratio, size of bubbles, drops or particles, as well as to produce an overall visualization of flows. We have mentioned the difficulties linked to the mathematical treatment of the equations written for simulating reactive flows. As usually done in CFD, for most problems encountered, a first useful solution can be obtained by limitingthe modelto oneortwospace dimensions (1D or 2D). However, very often it will be necessary not only to solve the 3D simulation set of equations, but also to achieve the unstationary solution of the same equations in order to really represent the true behaviour of the physical system. This last objective means much more complicated research, especially from the mathematical point of view.

Résumé

La mécanique des fluides numérique, ou CFD (Computational Fluid Dynamics) et ses applications se sont développées très rapidement au cours des dix dernières années. Cette branche hybride de la mécanique et des mathématiques, à croissance rapide, doit certainement être considérée comme un outil potentiel efficace et très utile dans le domaine du génie chimique, et tout spécialement du génie des réactions chimiques ou CRE (Chemical Reaction Engineering). Les difficultés inhérentes à cette nouvelle approche découlent de la complexité des mécanismes qu'il faut simuler de manière simultanée : dynamique des fluides, réactions chimiques et aspects physiques de chacun des systèmes envisagés. Une autre difficulté surgit du traitement numérique des équations du modèle final qui impose des traitements mathématiques extrêmement affinés et diversifiés. Pour de nombreux types de réacteurs chimiques, les performances pourraient être améliorées par l'application de la CFD lors de leur conception. Nous avons identifié deux catégories de problèmes aptes à bénéficier de cette approche nouvelle : - Les systèmes faisant intervenir des réactions chimiques rapides, avec des durées caractéristiques du même ordre de grandeur que les échelles de temps caractéristiques des turbulences. - Les systèmes polyphasiques, dont l'extrapolation demeure très difficile et se fait, le plus souvent, par des méthodes empiriques basées sur des modèles très simplifiés. Un examen rapide des divers types de systèmes utilisés dans la pratique montre que l'étude doit porter tout d'abord sur les systèmes gaz-liquide et fluide-solide. Toutefois, on manque encore de connaissances fondamentales quant au comportement physique de ces systèmes, surtout en ce qui concerne la coalescence des bulles et le transfert de quantité de mouvement entre gaz et solide. Des recherches spécifiques devront être effectuées pour obtenir l'information manquante. Un certain nombre de progiciels de CFD sont actuellement disponibles dans le commerce ou développés par divers laboratoires de recherche. Ils constituent certainement un point de départ intéressant, mais nous ne pouvons être certains que les résultats numériques donnés par ces programmes soient applicables à un cas industriel réel, sans vérifier les résultats d'une manière ou d'une autre. Il existe un accord général sur la nécessité d'obtenir des données expérimentales concernant des exemples de problèmes, afin de vérifier et de comparer les résultats informatiques des différents programmes proposés pour résoudre ce type de problème. Sous l'angle expérimental, nombre de méthodes de mesure permettent d'obtenir des valeurs locales de température, pression, vitesse, concentration de substances chimiques, rapport de phases, dimension des bulles, gouttes ou particules, ou de produire une visualisation générale des flux. Nous avons mentionné les difficultés liées au traitement mathématique des équations écrites pour la simulation des flux réactifs. Comme on le fait habituellement en CFD, pour la majorité des problèmes à résoudre, on peut obtenir une première solution utilisable en se limitant à un modèle uni ou bi-dimensionnel (1D ou 2D). Mais bien souvent, il faut non seulement résoudre la série des équations pour une simulation tri-dimensionnelle, mais aussi trouver la solution non stationnaire des mêmes équations pour représenter véritablement le comportement du système physique. Ce dernier objectif implique une recherche beaucoup plus compliquée, surtout du point de vue mathématique.