Multiscale Study of Reactive Dense Fluidized Bed for FCC Regenerator

Étude multi-échelle d’un lit fluidisé dense réactif de type régénérateur FCC

¹ IFP Energies nouvelles, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize - France
² Université de Toulouse, INPT, UPS, IMFT, allée Camille Soula, 31400 Toulouse - France
³ CNRS, IMFT, allée Camille Soula, 31400 Toulouse - France
e-mail: guillaume.moula@imft.fr

^⋆ Corresponding author

Abstract

This study deals with reactive gas particle flows like the coke combustion during the regeneration of FCC particles. In this kind of reactive flow, the global reaction rate is usually bad predicted. In a first approximation, the chemical scheme can be the reason because of the limitation of its modeling. It is usually based on macroscopic experimental results. The link between these macroscopic measurements and a local kinetics of the heterogeneous reaction occuring at the gas -particle interface is not confirmed. Results of kinetics coming from experimental measurements are used and we try to highlight the problems that appear when the same kinetics are used at different scales. In common industrial computations, coarse meshes are used to solve continuity equations. Averaged or filtered Navier-Stokes and species continuity equations have to be solved in which additional correlation terms appear because of non-linear terms in the original equations, including reaction rate correlation. Therefore a multiscale analysis is performed in order to improve the modeling of this terms. This paper, shows that the eulerian formulation of kinetics has to be improved due to the impact of the particle volume fraction on the reaction rate and the necessity to develop a subgrid model for the reaction rate due to the natural clustering that appears in gas -particle flows and non-linear additional terms appearing in filtered equations.

Résumé

Ce travail porte sur les écoulements réactifs gaz-particules tels que ceux que l’on rencontre dans la combustion du coke pour la régénération des particules de catalyseurs de FCC. Les études réalisées pour de tels écoulements montrent qu’en général le taux de réaction global au cours du temps est mal prédit. La raison peut être liée à la cinétique chimique utilisée qui est en général basée sur des expériences macroscopiques. Le lien entre des relevés macroscopiques et une cinétique chimique de réaction hétérogène locale qui a lieu à l’interface même entre la surface de la particule et le gaz environnant n’est pas immédiat. Nous avons utilisédes résultats cinétiques issus d’expériences afin d’identifier les problèmes qui apparaissent lorsque l’on utilise cette même cinétique pour des échelles différentes. Une analyse multi-échelle est donc effectuée. Nous montrons alors que la fraction volumique de particules a une influence sur le taux de réaction. Par ailleurs, nous montrons la nécessité de développer un modèle de sous-maille pour le taux de réaction lié à la présence de clustering dans les écoulements gaz- particules. Dans les calculs effectués couramment, le taux de réaction est calculé en considérant une répartition homogène des particules à l’intérieur de la maille de calcul. En effet l’analyse microscopique montre que lorsque les particules sont regroupé es en nuages denses, la fraction massique de dioxygène à l’intérieur de ce nuage est rapidement nulle et donc le dioxygène est en défaut. La réaction hétérogène est donc limitée.