MISE À L’ÉCHELLE – SOUTIEN À LA SIMULATION NUMÉRIQUE POUR LA CONCEPTION À L’ÉCHELLE INDUSTRIELLE
Le projet Multi-AD 4 AgroSMEs est né du réacteur anaérobie multiphase breveté par AEMA. Cette technologie a été testée expérimentalement sur un prototype à l’échelle pilote de 0,1 m3, donnant des résultats prometteurs en termes d’efficacité, d’impact environnemental et de coûts. L’un des objectifs du projet est le développement d’un nouveau design basé sur le prototype de l’AEMA et adapté à son fonctionnement à l’échelle industrielle. Ce processus de mise à l’échelle a été soutenu par la modélisation de la dynamique des fluides computationnelle (CFD), une technique qui fournit des informations sur les performances d’une nouvelle conception avant sa construction.
La dynamique des fluides numérique (CFD) utilise des méthodes numériques et des algorithmes pour résoudre des problèmes de mécanique des fluides, c’est-à-dire la branche de la physique qui étudie les mouvements des liquides et des gaz et les forces qui les provoquent. ITAINNOVA a une grande expérience de la modélisation et de la simulation CFD et de son application dans l’industrie pour la détection virtuelle, le contrôle par modèle, l’optimisation des processus et la conception de produits.
Réacteurs anaérobies pour l’hydrolyse, l’acidogenèse, l’acétogenèse et la méthanogenèse des eaux usées. La matière organique contenue dans l’eau (liquide) est mise en contact avec la biomasse (particules solides) pour la dégrader et générer du biogaz (gaz). Un mélange adéquat du liquide et des particules solides est essentiel pour obtenir des rendements de réaction élevés. Le réacteur Multi-AD tire parti de la turbulence créée par la géométrie pour assurer le mélange en évitant l’utilisation d’une agitation mécanique.
La mise à l’échelle du procédé a nécessité la modification de la conception de l’usine pilote pour l’adapter aux exigences caractéristiques des usines industrielles. Les limitations structurelles, les objectifs de sécurité et d’efficacité économique ont été les principaux défis à relever dans le processus de reconception du réacteur. Ce processus s’est déroulé en trois étapes : i) l’acquisition de connaissances sur les performances de l’installation pilote (en particulier le niveau de mélange), ii) la proposition de modifications de conception répondant aux exigences de taille industrielle et iii) l’évaluation du nouveau niveau de mélange. Les modèles et simulations CFD ont été des outils clés dans toutes ces étapes.
Un modèle complet de réacteur Multi-AD comprend un modèle multiphase (particules solides, liquide et gaz), un modèle de turbulence, et la résolution de réactions biochimiques avec des équations de transport d’énergie et d’espèces. Cette complexité rend le modèle exigeant sur le plan informatique et, par conséquent, la simulation prend du temps. Lors de la mise à l’échelle, plusieurs géométries ont dû être testées. Ce type de modèle complexe était donc incompatible avec une procédure de conception rapide.
Une méthodologie a été développée pour résoudre ce problème. Différents modèles ont été mis en œuvre pour adapter leurs caractéristiques, principalement la précision et la demande de calcul, à l’agilité requise dans chaque partie du processus. Le modèle a été modifié en trois niveaux de simplification concernant le maillage, le nombre de phases impliquées et les phénomènes étudiés. Le modèle complexe de l’usine pilote a été utilisé pour déterminer la précision de chaque simplification et les paramètres indiquant un bon mélange et une performance adéquate.
Le modèle le plus simple a permis une modification rapide de la géométrie et une simulation en temps réel. Il a été utilisé pour une première sélection de plusieurs conceptions différentes. Les résultats n’ont fourni aucune valeur précise mais des tendances indiquant les géométries les plus prometteuses. Cette sélection a été simulée et analysée à l’aide des modèles du niveau de simplification suivant pour obtenir des résultats quantitatifs et déterminer la conception la plus adéquate.
Le réacteur sélectionné représente un équilibre entre les performances, la viabilité de la construction et les coûts. Il est déjà installé dans l’usine de démonstration et sera testé dans le cadre du projet Multi-AD 4 AgroSMEs au cours des prochains mois.
