Multiphase Flow Models in Packed Beds

Modèles d'écoulements polyphasiques dans les lits garnis

Abstract
This paper presents a review of theories for gas and liquid flows in packed beds as applied to chemical reactor design. Significant progress has been made in understanding multiphase flow phenomena in packed beds and the ability to make quantitative predictions of flow behavior. Successful theories use spatially averaged continuity and momentum equations for the gas and liquid phases, coupled with constitutive equations for drag forces between the fluid phases and the particles and for capillary pressure effects in the column. The result is a self-consistent set of equations that are able to model experimental data for liquid holdup and pressure drop under steady-state conditions. These theories have also been used to generate information on the stability of these steady-state flows. Remarkable agreement has been found between the theoretical predictions of the transitions from the low-interaction to the high-interaction regimes and experimental observations. In addition, the same set of equations has been successful in modeling both cocurrent and countercurrent flows of gas and liquid phases in packed beds. This is a robust approach based on fundamental principles of fluid mechanics that can be applied to other reactor configurations. A similar formulation has also led to improvements in understanding of gas lift reactor hydrodynamics, and some of these results will be presented for comparison. A summary of challenges that exist in extending these hydrodynamic models to include the effects of heat transfer, mass transfer and reaction rates will also be presented.

Résumé
Cette étude présente un examen des théories sur les écoulements des liquides et des gaz dans les lits garnis appliquées au dimensionnement des réacteurs. Des progrès significatifs ont été réalisés dans la connaissance des phénomènes d'écoulements polyphasiques dans les lits garnis et dans la possibilité d'effectuer des prévisions quantitatives sur le comportement des fluides en écoulement. Certaines théories utilisent avec succès des équations de continuité et de quantité de mouvement moyennées dans l'espace pour les phases liquide et gazeuse, associées à des lois de comportement représentant les forces de traînée entre les phases fluides et les particules ainsi que les effets de la pression capillaire dans la colonne. Il en résulte un ensemble cohérent d'équations qui sont capables de modéliser les données expérimentales pour le taux de rétention du liquide et la perte de charge dans des conditions de régime permanent. Ces théories ont également été utilisées pour donner des informations sur la stabilité de ces écoulements permanents. Un accord remarquable a été trouvé entre les observations expérimentales et les prédictions théoriques sur les transitions entre les régimes à faibles et à fortes interactions. De plus, le même ensemble d'équations a permis de modéliser les écoulements, à la fois en co- et en contre-courant, des phases liquide et gazeuse dans les lits garnis. Cette approche robuste est basée sur les principes fondamentaux de la mécanique des fluides et peut être appliquée à d'autres configurations de réacteurs. Une formulation similaire a également amélioré la compréhension de l'hydrodynamique des réacteurs à gazosiphon. Certains de ces résultats sont présentés à titre de comparaison ; un résumé des challenges visant à élargir ces modèles hydrodynamiques pour y inclure les effets du transfert de chaleur, du transfert de masse et des vitesses de réaction est également proposé.