Modélisation multiphysique, multiéchelles et simulation numérique d’un réacteur à lit fixe milli structuré pour la synthèse de Fischer- Tropsch Mettre le logo Carnot Energies du Futur ?

Un peu d’histoire et synthèse de fischer-tropsch dans le cadre du stage H. Fischer 1923 F. Tropsch L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | 5/17 Cadre du stage, environnement de travail et contexte

Phénoménologie des réacteurs Fischer-Tropsch : Physique, géométrie et échelles Ecoulements / Transferts Réaction/diffusion L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | 6/17 Cadre du stage, environnement de travail et contexte

modélisation de réacteurs Fischer-Tropsch : résumé et stratégie Problème multiphasique couplant des phénomènes physiques à plusieurs échelles Description à l’échelle du catalyseur rare et/ou inadéquate dans la littérature Importance des phénomènes à l’échelle du catalyseur sur la globalité du réacteur Vervloet, 2012 Approche microscopique : Etablir les profils de réaction/diffusion en fonction des conditions opératoires de la synthèse. Peut-on homogénéiser l’échelle du catalyseur ? L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | 7/17 Cadre du stage, environnement de travail et contexte

Stratégie de modélisation : Hypothèses générales et géométrie L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | 8/17 Modélisation d’une particule de catalyseur, validation et résultats

Équations du modèle : transport isotrope d’espèces diluées et chaleur − 𝐷 𝑒𝑓𝑓 𝐻 2 𝜕 2 𝐶 𝐻 2 𝜕 𝑟 2 + 2 𝑟 𝜕 𝐶 𝐻 2 𝜕𝑟 = 𝑎 𝑃 𝐻 2 𝑃 𝐶𝑂 1+𝑏 𝑃 𝐶𝑂 ² × 𝜌 𝑐 − 𝐷 𝑒𝑓𝑓 𝐶𝑂 𝜕 2 𝐶 𝐶𝑂 𝜕 𝑟 2 + 2 𝑟 𝜕 𝐶 𝐶𝑂 𝜕𝑟 =− 1 3−𝛼 𝑎 𝑃 𝐻 2 𝑃 𝐶𝑂 1+𝑏 𝑃 𝐶𝑂 ² × 𝜌 𝑐 − 𝐷 𝑒𝑓𝑓 𝐻 2 𝑂 𝜕 2 𝐶 𝐻 2 𝑂 𝜕 𝑟 2 + 2 𝑟 𝜕 𝐶 𝐻 2 𝑂 𝜕𝑟 = 1 3−𝛼 𝑎 𝑃 𝐻 2 𝑃 𝐶𝑂 1+𝑏 𝑃 𝐶𝑂 ² × 𝜌 𝑐 L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » − 𝜆 𝑒𝑓𝑓,𝑐𝑎𝑡𝑎 𝜕 2 𝑇 𝑐𝑎 𝜕 𝑟 2 + 2 𝑟 𝜕 𝑇 𝑐𝑎 𝜕𝑟 =−∆𝐻× 1 3−𝛼 𝑎 𝑃 𝐻 2 𝑃 𝐶𝑂 1+𝑏 𝑃 𝐶𝑂 ² × 𝜌 𝑐 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | 10/17 Modélisation d’une particule de catalyseur, validation et résultats

Validation du modèle Résultats Modèle présenté Modèle Vervloet Vitesse moyenne de consommation du CO mol/kg_cata/s 2,9764 3,36 Efficacité 1,77 1,37 [CO] interface (mol/m3) 33 37,31 [H2] interface (mol/m3) 58,3 57,91 Deff,H2/Deff,CO 1,3 Conditions opératoires : T=490K ; α=0,86 ; P=30 bar ; RHC=2 et Rp=750µm L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | 11/17 Modélisation d’une particule de catalyseur, validation et résultats

Résultats : étude de la cinétique de consommation Conditions opératoires typiques : T=483K ; α=0,86 ; P=20 bar ; RHC=2 et Rp=250µm Conditions opératoires typiques : T=473K ; α=0,86 ; P=20 bar ; RHC=2 et Rp=250µm L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | 12/17 Modélisation d’une particule de catalyseur, validation et résultats

Résultats : Efficacité 𝜂= 1 𝑉 𝑉 𝑟 𝐻 2 𝑟 𝐻 2 𝑟= 𝑅 𝑝 = 𝑟 𝐻 2 𝑟 𝑟 𝐻 2 𝑟= 𝑅 𝑝 L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » Réaction fortement exothermique et activée thermiquement 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | 13/17 Modélisation d’une particule de catalyseur, validation et résultats

coefficients de diffusion Équations du modèle : coefficients de diffusion 𝐷 𝐶𝑂,𝑤𝑎𝑥 =5,584. 10 −7 𝑒𝑥𝑝 −1786,29 𝑇 Coefficients expérimentaux de Wang (matière) : Calcul des autres coefficients : Modèle de diffusion effective ε/τ : Diffusion thermique : 𝐷 𝐻 2 ,𝑤𝑎𝑥 =1,085. 10 −6 𝑒𝑥𝑝 −1624,63 𝑇 𝐷 𝑖,𝑤𝑎𝑥 = 𝐷 𝐶𝑂,𝑤𝑎𝑥 𝑣 𝐶𝑂 ° 𝑣 𝑖 ° 0.6 Properties of gases and liquids 𝑣 𝑖 ° =0,285× 𝑉 𝑐 1,048 L’objectif de cette slide est simplement de positionner le Liten dans le paysage du CEA et de CEATech. Comme une présentation de CEATech est faite avant, ce n’est pas la peine de s’attarder. « Le CEA a 4 domaines d’activité stratégique. Celui des énergies bas carbone regroupe le nucléaire et les nouvelles technologies pour l’énergie porté par l’institut Liten. Comme nous venons de le voir, le Liten est un des trois instituts de CEATech. » 𝐷 𝑒𝑓𝑓 𝑖,𝑤𝑎𝑥 = 𝜀 𝑐𝑎𝑡𝑎 𝜏 𝐷 𝑖,𝑤𝑎𝑥 𝜆 𝑒𝑓𝑓,𝑐𝑎𝑡𝑎 𝜆 𝑠 = 𝜆 𝑠 𝜆 𝑓 1− 𝜀 𝑐𝑎𝑡𝑎 19/06/2018 Fabrice Boilot © CEA-LITEN | Département thermique, biomasse, hydrogène | ANNX