Recent developments in radioactive tracers methodology

Résumé -Le traçage radioactif comme aide au diagnostic des réacteurs chimiques -Le traçage radioactif apparaît souvent comme le seul moyen de caractérisation fine et non perturbatrice des écoulements de matière dans les réacteurs chimiques. Sous réserve de l'observation de certaines conditions méthodologiques, ce traçage permet d'étudier, au sens du génie des procédés, l'écoulement d'une phase dans un réacteur, par exemple par l'obtention des distributions des temps de séjour locales ou distributions d'âges internes. Ces distributions permettent aussi de déterminer la nature de l'écoulement tracé aux fins d'extrapolation d'échelle ; on donne l'exemple de l'étude de l'hydrodynamique d'une colonne à garnissage. Elles peuvent aussi constituer des moyens de validation des codes numériques de mécanique des fluides, comme l'illustre l'exemple du traçage d'un réacteur de cristallisation par désublimation d'un gaz chaud par un gaz froid. Dans celui-ci, l'aérodynamique numérique est confirmée par la construction expérimentale d'un modèle systémique équivalent ; la zone réactionnelle est alors localisée numériquement avec un réel degré de confiance. Une propriété spécifique du traçage radioactif réside dans le fait que le signal enregistré par une sonde nucléaire est inversement proportionnel au débit volumique du traceur au voisinage de cette sonde. On peut alors remonter à la température locale par bilan enthalpique, comme l'illustre l'exemple du traçage d'un four de trempe. Ces mesures, si elles peuvent mettre en évidence des maldistributions, ne peuvent les localiser ; c'est l'objet des techniques d'imagerie, dynamiques ou non. Parmi elles, la tomographie d'émission de photon unique (TEPU) permet de reconstruire l'image de la répartition du traceur en écoulement dans une section d'un réacteur cylindrique à partir d'un nombre limité de détecteurs nucléaires. Les avantages et limitations de cette technique sont discutés et un exemple d'application à la localisation de maldistributions est donné. Enfin, le traitement des images données par une gamma-caméra permet aussi de visualiser et d'estimer la répartition locale d'un traceur radioactif dans un réacteur catalytique triphasique de laboratoire de type Mahoney-Robinson, utilisé pour la désulfuration des gazoles. L'effet de l'agitation sur l'efficacité locale des transferts liquide et gazeux est mis en évidence.Mots-clés : radiotraceur, interactions photon-matière, codes Monte-Carlo, CFD (simulation numérique de la mécanique des fluides), tomographie, problèmes inverses, simulation. Abstract

Section: Photonic Interactionssupporting

confidence: 79%

Section: Industrial Scalementioning

confidence: 93%

Section: Photonic Interactionsmentioning

confidence: 99%

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Radioactive Tracing As Aid for Diagnosing Chemical Reactors

Blet¹,

Berne²,

Legoupil³

et al. 2000

“…Nevertheless, more attention must be paid to the protocol for tracer injection, and especially to the modeling of the tracer response so that one can arrive from the count rate measured by the detectors to the proper description of the mixing cup tracer concentration which is needed for RTD evaluation. An excellent review of the state of the art was recently provided by Blet et al (1999). In addition to the impulse response technique, described in this paper with regard to the bubble column example, encapsulated radioactive sources are used for gamma densitometry.…”

Section: Troubleshooting Via Tracersmentioning

confidence: 99%

Opaque Multiphase Reactors: Experimentation, Modeling and Troubleshooting

Duduković¹

2000

Résumé -Réacteurs polyphasiques opaques : expérimentation, modélisation et traitement des incidents -Les réacteurs polyphasiques sont largement utilisés dans les industries pétrolière, chimique, pétrochimique, pharmaceutique et métallurgique, aussi bien pour la transformation des matières que pour la réduction de la pollution. La plupart des réacteurs présentant un intérêt industriel (colonnes à bulles avec solides en suspension -à slurry -, lits entraînés -risers -gaz-solide et lits fluidisés, lits bouillonnants et cuves agitées) sont opaques, parce que la phase dispersée occupe une fraction de volume importante. Tous les phénomènes physiques jouant sur la dynamique des fluides de tels systèmes ne sont pas encore entièrement compris. Cela rend extrêmement difficile la prédiction de paramètres importants du procédé, tels que la perte de charge, les profils de vitesse et de rétention, le taux de rétromélange, etc. Les concepts industriels reposent sur des corrélations, et celles-ci sont sujettes à une grande incertitude dès que l'on s'écarte des conditions d'exploitation des bases de données. Dans la plupart des cas, il serait bienvenu de prévoir les paramètres du procédé en se basant sur des modèles de dynamique des fluides. Cependant, même les meilleurs modèles (ceux qui sont aptes à traiter des récipients et des conduites de grand volume) nécessitent des lois de fermeture pour les termes d'interaction des phases, qui sont encore actuellement incertains et sujets à discussion. Il est donc nécessaire de vérifier ces modèles en mesurant avec précision les grandeurs que l'on souhaite prédire à l'aide de ces modèles, c'est-à-dire les taux et les profils de rétention des différentes phases, les profils de vitesse, le rétromélange, etc. Mais ces systèmes sont opaques, et il est donc impossible de « voir » à l'intérieur, ce qui apparaît comme un cercle vicieux et laisse présager que les prédictions des modèles sont destinées à rester invérifiées. Heureusement, comme deux importantes et récentes études l'ont montré (Chaouki et al., 1997a(Chaouki et al., , 1997b, des techniques peuvent nous offrir les informations souhaitées. Nous examinons ici deux d'entre elles : la tomographie assistée par rayon gamma (CT) pour la mesure des profils de rétention, et le traçage des particules radioactives assisté par ordinateur (CARPT) pour la mesure des profils de vitesse et des paramètres de rétromélange. Nous montrons comment utiliser ces techniques pour obtenir une information sur les systèmes industriellement intéressants et comportant des catalyseurs en mouvement comme les réacteurs élévateurs (risers) gaz-solide ou gaz-liquide, et les colonnes à bulles gaz-liquide. L'aptitude des codes CFD (Computational Fluid Dynamics) existants à prédire correctement les grandeurs hydrodynamiques observées est également brièvement discutée. Nous abordons ensuite les problèmes de l'écoulement disphasique dans les lits garnis, de l'évolution des techniques expérimentales et des modèles utilisés pour mieux quantifier les paramètres de ces réacte...

“…The local tracer experiments inside the studied reactor can be used to validate the model through optimisation at the different nodes. The recent developments in radiotracer technology (Blet et al, 1998) and the use of novel tracers (Muhr, Leclerc and David, 1999) permit to obtain much more information in this regard. The use of well-known elementary "bricks" permits us to work directly in the Laplace domain where we know that the convolution product is transformed into a simple product of the functions:…”

Section: Simulation Of Complex Compartment Modelsmentioning

confidence: 99%

Theoretical Interpretation of Residence-Time Distribution Measurements in Industrial Processes

Leclerc¹,

Claudel²,

Lintz³

et al. 2000

Résumé -Distribution des temps de séjour dans les procédés industriels : interprétation théorique -Le concept de Distribution des Temps de Séjour (DTS) a été introduit par Danckwerts en 1953 afin de caractériser l'écoulement dans les réacteurs. Il a été décrit de nombreuses fois et appliqué à des cas divers. Bien que les récents développements des codes de calcul de mécanique des fluides doivent permettre de mieux comprendre le fonctionnement des procédés industriels, les applications de ces codes restent difficiles pour des procédés complexes. La méthode des distributions des temps de séjour reste alors la seule voie possible pour obtenir des informations sur l'hydrodynamique et améliorer ces procédés.Les modèles représentatifs des expériences de traçage se limitent souvent à des réacteurs simples, comme les cascades de réacteurs parfaitement agités en série ou le réacteur piston à dispersion axiale, et l'information ainsi déduite peut se révéler très insuffisante. La création de modèles hydrodynamiques obtenus par la création de réseaux complexes de réacteurs élémentaires peut permettre d'obtenir des informations plus précises sur un procédé. Cependant, cette approche induit deux problèmes de fond : premièrement la résolution rapide d'un système d'équations quels que soient le réseau et les réacteurs choisis, deuxièmement la difficulté à obtenir un modèle réaliste et représentatif de la physique du procédé.En fait, les réseaux complexes contiennent tellement de paramètres que deux modèles très différents peuvent répondre de la même façon à un signal d'entrée quelconque, ou qu'un même modèle peut donner des réponses similaires avec des jeux de paramètres différents. En tenant compte de ces difficultés, un logiciel a été développé afin de calculer facilement la réponse de réseaux complexes à un signal d'entrée quelconque. Ce logiciel permet aussi d'étudier les systèmes à entrées et/ou sorties multiples et d'optimiser les paramètres des modèles correspondants, et peut également être utilisé pour déterminer les paramètres qui permettront d'obtenir des réponses identiques avec deux modèles différents. L'analyse physique de ces paramètres permet ensuite de déterminer le modèle le plus réaliste. Enfin, les mesures expérimentales locales peuvent être interprétées grâce à la possibilité d'obtenir les réponses du modèle en tout point du réseau.Une procédure générale d'optimisation des débits, dans le cas de procédés industriels comportant des recirculations pour lesquelles les débits sont indéterminés, a aussi été développée. Des perspectives de développement incluant notamment les DTS en régime transitoire et la génération automatique de modèles d'écoulement sont aussi présentées. Elles sont illustrées par des exemples expérimentaux et des résultats tirés de la littérature. Finalement, des perspectives et de nouveaux concepts possibles sont présentés.Mots-clés : distribution des temps de séjour, procédés industriels complexes, régime transitoire, modélisation.