Projet : Simulation multiphasique d’un gazogène de biomasse

L’objectif de ce projet est de simuler et de valider une nouvelle conception pour un grand gazéificateur industriel de biomasse. L’amélioration vise à faciliter le fonctionnement de certaines parties du processus et nécessite une modification du système d’introduction d’air et de fluidisation du lit. Le projet de calcul comprend plusieurs phases qui sont détaillées dans cette entrée.

Optimisation des distributeurs d’air par simulation CFD

Tout d’abord, une étude de simulation CFD du distributeur d’air est réalisée. Les pertes de pression du système et les débits fournis par chaque sortie sont calculés. Pour ce faire, la géométrie est maillée en tenant compte d’une couche limite appropriée et, après avoir configuré le modèle, le calcul est effectué à l’aide de Cradle ScFlow. L’image suivante montre un détail du maillage utilisé dans l’une des zones du système :

Maillage CFD d'un distributeur d'air pour l'étude de la perte de charge

Après une première analyse, des améliorations possibles pour rendre le flux plus uniforme et améliorer la consommation sont étudiées. Ces propositions visent à faciliter le flux à travers le distributeur, à lisser les virages et à réduire ainsi les pertes secondaires. L’image suivante montre un graphique comparatif des débits avant et après le processus d’optimisation, où l’on peut constater l’amélioration de l’homogénéité des secteurs de distribution :

Résultats de l'optimisation de l'écoulement avec simulation CFD

La simulation CFD de ces cas permet de comparer l’efficacité à un stade précoce de la conception, avant le début de la construction de l’équipement.

Étude et étalonnage à l’aide d’un modèle de laboratoire

La deuxième phase de l’étude consiste à calibrer les modèles numériques de traînée pour représenter la fluidisation.

Le point de départ est un modèle correspondant à une expérience de laboratoire pour laquelle des mesures de hauteurs de fluidisation et de vitesses minimales sont disponibles. Une fois les paramètres physiques des particules et les paramètres numériques du modèle d’entraînement calibrés, une étude de sensibilité est réalisée sur les paramètres qui varient par rapport au réacteur réel.

Certains des paramètres pris en compte sont le diamètre de la cuve, la hauteur du lit et la vitesse d’écoulement. En utilisant des modèles intermédiaires, il est possible de définir une méthodologie appropriée pour travailler avec le modèle de réacteur réel à l’aide d’une simulation de type CFD-PIC, en couplant les phénomènes d’écoulement et d’entraînement des particules solides.

Une étude de la vitesse d’écoulement à l’origine de la traînée pneumatique dans le lit fluidisé est également réalisée à ce stade, ce qui permet d’obtenir des données pertinentes pour la conception, qu’il serait très coûteux de vérifier expérimentalement.

Simulation multiphase des réacteurs

Dans cette phase, les résultats de l’étalonnage sont utilisés pour simuler le réacteur dans sa configuration actuelle et les nouvelles conceptions. La simulation du modèle déjà construit et opérationnel sert à valider le processus utilisé.

Une fois les résultats de cette étude validés, les nouvelles conceptions sont étudiées. Les phénomènes de fluidisation adéquate et de hauteur maximale du lit sont étudiés. Les résultats obtenus renforcent la confiance dans les propositions de modification.

Les vidéos suivantes montrent des animations des résultats de certaines simulations de fluidification dans différentes configurations :

Simulation DEM du système d’extraction des métaux

Enfin, une étude est menée sur le processus d’extraction des déchets indésirables générés par la gazéification de la biomasse. L’objectif de cette étude est de vérifier que la conception de la vis d’extraction permet au gazéificateur de fonctionner correctement, sans accumulation de matériaux pénalisant l’efficacité.

Cette étude est réalisée au moyen d’une simulation DEM (Discrete element method) avec un modèle à gros grains sans interaction fluide-particules. Cela permet d’augmenter considérablement l’efficacité du calcul tout en maintenant une bonne précision dans les résultats.

La vidéo suivante montre un exemple de l’étude dans une certaine configuration de ceux considérés dans le processus :

Ces études et l’analyse qui en découle concluent la partie du projet consacrée à la simulation multiphysique.

En plus de ce qui est mentionné dans cette entrée, l’ICEMM a également effectué une analyse de la résistance structurelle de la nouvelle conception à l’aide de modèles d’éléments finis, vérifiant ainsi la conformité du réacteur avec les réglementations applicables dans ce domaine.

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