Chimie & Procédés

Modélisation numérique dans le domaine de la chimie

L’usage des outils de modélisation numérique des écoulements fluides (CFD) s’est largement développé dans le domaine de la chimie. Les phénomènes physiques et les types d’écoulements qui interviennent dans les procédés chimiques sont souvent complexes. Les écoulements peuvent ainsi être multiphasiques, avec des réactions chimiques et des transferts massiques et thermiques.

La simulation CFD est un outil indispensable pour l’optimisation des procédés chimiques. Elle permet de réduire les coûts de développement, d’améliorer les performances des équipements, d’optimiser les transferts de chaleur et de masse, et d’augmenter la sécurité tout en réduisant et en maîtrisant l’impact environnemental. En intégrant la CFD dans la conception des réacteurs et des équipements, les industries chimiques peuvent considérablement améliorer leur efficacité.

Quelques exemples d’applications de la simulation CFD dans le domaine de la chimie et des procédés sont donnés ici.

Conception et optimisation des réacteurs

• Réacteurs à lit fluidisé : Les réacteurs à lit fluidisé permettent de mettre en suspension des particules réactives solides à l’aide d’un fluide ascendant. Une simulation CFD pourra permettre de modéliser la distribution de la phase solide et gaz, le mélange, le taux de vide et les aires interfaciales, et donc de quantifier les transferts de chaleur et de masse.
• Réacteurs à cuve agitée : Dans un réacteur à cuve agitée, les réactifs sont introduits dans la cuve et mélangés par un mobile d’agitation. Il peut s’agir d’un procédé continu ou discontinu (en batch). La modélisation aidera ici à simuler le comportement des fluides (champs de vitesse, turbulence, temps de séjour, avancement réactif, cisaillement, échanges thermiques avec le système de chauffe – double enveloppe, serpentin intérieur…), afin de caractériser et d’optimiser les conditions opératoires.
• Réacteurs tubulaires : dans les réacteurs tubulaires, les réactifs circulent dans une conduite de longueur importante, chauffés par un tube coaxial, ou un four. Par la simulation, on pourra déterminer le mélange, les vitesses, le taux d’avancement ou encore le transfert thermique. Il est également possible de simuler l’impact sur le procédé de la géométrie, de mélangeurs statiques ou encore d’un profil de température variable.

Optimisation du mélange et du transfert de chaleur

• Mélangeurs et agitateurs : La simulation de Mécanique des Fluides est utilisée pour modéliser les mélangeurs afin de maximiser leur efficacité, minimiser la consommation d’énergie et garantir une répartition homogène des réactifs et/ou des produits.
• Échangeurs de chaleur : la caractérisation et l’optimisation les transferts thermiques est également possible, améliorant ainsi l’efficacité énergétique des équipements.

Modélisation des phénomènes multiphasiques

• Écoulements multiphasiques : Dans de nombreux procédés chimiques, des écoulements multiphasiques sont présents (liquide-gaz, liquide-solide, etc.). La CFD peut modéliser ces écoulements complexes, comme dans les colonnes à bulles, les réacteurs à lit fluidisé ou les séparateurs de phases.
• Réacteurs gaz-liquide : La simulation CFD permet d’étudier la distribution des bulles, la coalescence et la séparation des phases, ainsi que l’efficacité des transferts de masse et de chaleur dans les réacteurs à bulles.

• Cyclones et séparateurs : Les cyclones peuvent être utilisés pour séparer les particules des gaz. Leur fonctionnement peut être simulé et amélioré par la simulation CFD, par exemple en analysant finement l’impact des paramètres géométriques pour les optimiser ensuite.
• Systèmes de combustion : Dans les procédés chimiques, les brûleurs et les incinérateurs sont omniprésents pour diverses applications. La simulation CFD permet de les modéliser, intégrant par exemple les phénomènes de combustion, la génération de polluants, le transfert thermique radiatif…

Analyse des risques et sécurité

• Dispersion atmosphérique des polluants : l’une des principales applications est la simulation de la dispersion atmosphériques d’espèces chimiques dangereuses et/ou polluantes. En modélisant ces scénarios incidentels et accidentels sous de multiples conditions météorologiques, il est possible d’évaluer les risques pour les populations, les distances de sécurité, mais aussi de proposer des réseaux de capteurs optimisés pour garantir une détection sûre et précoce de tout phénomène de ce type. Le suivi de polluants en milieu liquide est aussi possible.
• Simulation des explosions et des fuites : En cas de fuite de gaz ou de produits chimiques dangereux, la CFD peut simuler la dispersion des gaz dans l’atmosphère pour évaluer les risques et améliorer la conception des systèmes de sécurité.
• Simulation d’incendies : Les incendies dans les unités de production chimique peuvent être modélisés pour mieux comprendre la propagation du feu et améliorer les systèmes de prévention, d’alerte et de suppression.