Numerical Simulation of Fixed-Bed Catalytic Reforming Reactors: Hydrodynamics / Chemical Kinetics Coupling

Simulation numérique des réacteurs de reformage catalytique en lit fixe : couplage hydrodynamique-cinétique chimique

Institut Français du Pétrole

Abstract

Fixed bed reactors with a single fluid phase are widely used in the refining or petrochemical industries for reaction processes catalysed by a solid phase. The design criteria for industrial reactors are relatively well known. However, they rely on a one-dimensional writing and on the separate resolution of the equation of conservation of mass and energy, and of momentum. Thus, with complex geometries, the influence of hydrodynamics on the effectiveness of the catalyst bed cannot be taken into account. The calculation method proposed is based on the multi-dimensional writing and the simultaneous resolution of the local conservation equations. The example discussed concerns fixed-bed catalytic reactors. These reactors are distinguished by their annular geometry and the radial circulation of the feedstock. The flow is assumed to be axisymmetric. The reaction process is reflected by a simplified kinetic mechanism involving ten chemical species. Calculation of the hydrodynamic (mean velocities, pressure), thermal and mass fields (concentration of each species) serves to identify the influence of internal components in two industrial reactor geometries. The map of the quantity of coke formed and deposited on the catalyst, calculated by the model, reveals potential areas of poor operation.

Résumé

Les réacteurs à lit fixe avec une seule phase fluide sont largement utilisés dans l'industrie du raffinage et de la pétrochimie, pour mettre en oeuvre un processus réactionnel catalysé par une phase solide. Les règles de conception des réacteurs industriels sont relativement bien connues. Cependant, elles reposent sur l'écriture monodimensionnelle et la résolution séparée, d'une part, des équations de conservation de la masse et de l'énergie et d'autre part, de la quantité de mouvement. Ainsi dans le cas de géométries complexes, l'influence de l'hydrodynamique sur l'efficacité du lit catalytique ne peut être prise en compte. La méthode de calcul proposée est basée sur l'écriture multidimensionnelle et la résolution simultanée des équations locales de conservation. L'exemple traité est relatif aux réacteurs de reformage catalytique en lit fixe. Les particularités de ces réacteurs sont leur géométrie annulaire et la circulation radiale de la charge à traiter. L'écoulement est supposé axisymétrique. Le processus réactionnel est traduit par un schéma cinétique simplifié faisant intervenir 10 espèces chimiques. Le calcul des champs hydrodynamiques (vitesses moyennes, pression), thermique et massique (concentration de chaque espèce) permet de mettre en évidence l'influence d'internes dans deux géométries de réacteur industriel. La cartographie de la quantité de coke formée et déposée sur le catalyseur, calculée par le modèle révèle les zones éventuelles de mauvais fonctionnement.