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Keywords:

  • trickle-bed reactor;
  • computational fluid dynamics;
  • multiphase hydrodynamics;
  • constitutive equations
  • Lit fixe arrosé;
  • mécanique des fluides numérique;
  • hydrodynamique polyphasique;
  • équations constitutives

Abstract

Trickle-bed reactors (TBRs), which accommodate the flow of gas and liquid phases through packed beds of catalysts, host a variety of gas–liquid–solid catalytic reactions, particularly in the petroleum/petrochemical industry. The multiphase flow hydrodynamics in TBRs are complex and directly affect the overall reactor performance in terms of reactant conversion and product yield and selectivity. Non-ideal flow behaviours, such as flow maldistribution, channelling or partial catalyst wetting may significantly reduce the effectiveness of the reactor. However, conventional TBR modelling approaches cannot properly account for these non-ideal behaviours owing to the complex coupling between fluid dynamics and chemical kinetics. Recent advances in the application of computational fluid dynamics (CFD) to three-phase TBR systems have shown promise of achieving a deeper understanding of the interactions between multiphase fluid dynamics and chemical reactions. This study is intended to give a state-of-the-art overview of the progress achieved in the field of CFD simulation of TBRs over the past two decades. The fundamental modelling framework of multiphase flow in TBRs, advances in important constitutive models, and the application of CFD models are discussed in detail. Directions for future research are suggested.

RÉSUMÉ Les lits fixes arrosés à co-courant descendant de gaz et de liquide sont le siège d'innombrables processus catalytiques triphasiques, en particulier dans le domaine du raffinage pétrolier et de la pétrochimie. Les caractères polyphasique et non-idéal de leur hydrodynamique ont des répercussions importantes sur la conversion chimique, la productivité et la sélectivité. Ceci se traduit par l'entremise de la maldistribution des fluides, le mouillage partiel du catalyseur ou des écoulements préférentiels qui peuvent être déterminants en ce qui a trait à l'efficacité du réacteur. La mise en équation rigoureuse de ces non-idéalités et des couplages réaction-hydrodynamique a longtemps résisté aux approches de conceptualisation dites « conventionnelles ». Cette revue de synthèse s'attarde par conséquent à discuter les récentes avancées dans l'utilisation de la mécanique des fluides numérique comme outil « émergent et non-conventionnel » de description quantitative et fine des écoulements et des réactions catalytiques, et de leur interaction au sein de ces réacteurs. Spécifiquement, nous discuterons de la pertinence des différentes approches multi-fluides mises en œuvre, des relations constitutives développées et de l'utilisation de la mécanique des fluides numérique pour des applications pratiques des lits fixes arrosés. Nous suggérerons en guise d'épilogue de nouvelles directions de recherche dans ce domaine. © 2011 Canadian Society for Chemical Engineering