Le changement climatique est un défi mondial, causé en particulier par l’augmentation des émissions de CO₂, faisant de la décarbonation de l’économie une priorité. L’électrification des procédés thermiques est une voie privilégiée pour cela, car la plupart sont actuellement alimentés par des énergies fossiles. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes concentrés sur l’utilisation du chauffage par induction (CI) pour les procédés de catalyse hétérogène. Le chauffage par induction permet de chauffer sélectivement les catalyseurs et d’augmenter l’efficacité, la sélectivité et la sécurité. Ce travail a exploré trois voies, qui font chacune l’objet d’un chapitre de ce manuscrit : i) le chauffage magnétique de la paille de fer, un nouvel agent chauffant ; ii) le développement de systèmes de chauffage à l’échelle laboratoire et les résultats expérimentaux obtenus sur un pilote ; iii) la modélisation numérique de réacteurs.
Le chauffage magnétique de trois types de paille de fer a été étudié par la mesure de leur puissance de chauffe (SAR) et de leurs cycles d’hystérésis haute-fréquence. L’influence de facteurs-clé (diamètre et longueur des fils, densité volumique des échantillons, fonctionnalisation) a été examinée. Les résultats montrent qu’une paille de fer plus courte ou plus fine réduit significativement le SAR. La paille de fer avec le plus grand diamètre a montré une contribution de 90 % des courants de Foucault à 50 kHz. Des revêtements fonctionnels comme le SiO2 ou le Ni réduisent le SAR. Une augmentation de la masse de l’échantillon diminue le SAR en raison d’un effet de blindage ou d’interactions magnétiques. La paille de fer présente des caractéristiques intéressantes par rapport à des matériaux plus coûteux, soulignant son potentiel pour la catalyse magnétique.
La conception et le développement de bobines pour la catalyse magnétique à l’échelle laboratoire ont été étudiées. Deux types de bobines ont été développés : des bobines basse-fréquence refroidies à l’air et des bobines haute-fréquence refroidies à l’eau. La conception a mis l’accent sur l’adéquation des bobines à la catalyse magnétique, en se focalisant sur l’homogénéité du champ, la fréquence optimale, et l’efficacité énergétique. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus sur un pilote développé dans le cadre du projet METHAMAG montrent la faisabilité de la mise à l’échelle de la catalyse magnétique avec des temps de démarrage rapides (quelques dizaines de secondes) et une efficacité énergétique élevée (~70%).
Le modèle numérique développé décrit avec précision le fonctionnement thermique d’un réacteur de catalyse magnétique, en mettant l'accent sur la génération de chaleur par induction au sein du lit catalytique. Celui-ci est composé de particules d’un catalyseur à base de nickel et de paille de fer. Les réactions de méthanation et du gaz à l’eau inverse (RWGS) ont été simulées en flux piston 1D, intégrant les dynamiques transitoires. Trois profils de température distincts ont été pris en compte : gaz, lit catalytique et parois, chacun reflétant des propriétés thermiques spécifiques. Le transfert de chaleur inclut la convection forcée, la conduction et le refroidissement naturel, tandis que la génération de chaleur est localisée directement dans la paille de fer. Des simulations comparant l’opération du réacteur magnétique à un tube-calandre ou à un réacteur chauffé par résistance ont été réalisées. Les simulations soulignent les avantages du CI dans les réacteurs à lit fixe pour des réactions endo- et exothermiques : démarrages rapides, performances dynamiques supérieures, réactivité accrue aux perturbations, meilleure efficacité énergétique ainsi qu’une stabilité thermique renforcée surpassant celle des réacteurs classiques.
Ces résultats soulignent le rôle potentiel du chauffage par induction dans l'optimisation des performances des réacteurs industriels, ce qui en fait un outil précieux pour répondre aux exigences des processus chimiques modernes. |
Climate change is a global challenge, driven in particular by the rise in CO₂ emissions, making the decarbonization of the economy a priority. Electrification of thermal processes is a key approach to address this, as most are currently powered by fossil fuels. In this thesis, we focused on the use of induction heating (IH) for heterogeneous catalysis processes. Induction heating allows for selective heating of catalysts, improving efficiency, selectivity, and safety. This work explored three approaches, each forming the subject of a chapter in this manuscript: i) magnetic heating of iron wool, a novel heating agent; ii) the development of heating systems at the laboratory scale and experimental results obtained in a pilot system; iii) numerical modeling of reactors.
The magnetic heating of three types of iron wool was studied by measuring their specific absorption rate (SAR) and high-frequency hysteresis cycles. The influence of key factors (wire diameter and length, bulk density of the samples, functionalization) was examined. The results show that shorter or thinner iron wool significantly reduces SAR. Iron wool with the largest diameter exhibited a 90% contribution from eddy currents at 50 kHz. Functional coatings, such as SiO₂ or Ni, reduced SAR. Increasing the sample mass decreased SAR due to shielding effects or magnetic interactions. Iron wool demonstrated interesting characteristics compared to more expensive materials, highlighting its potential for magnetic catalysis.
The design and development of coils for magnetic catalysis at the laboratory scale were also studied. Two types of coils were developed: low-frequency air-cooled coils and high-frequency water-cooled coils. The design emphasized the suitability of the coils for magnetic catalysis, focusing on field homogeneity, optimal frequency, and energy efficiency. Finally, experimental results obtained on a pilot system developed within the METHAMAG project demonstrated the scalability of magnetic catalysis with rapid start-up times (a few tens of seconds) and high energy efficiency (~70%).
The numerical model developed accurately describes the thermal operation of a magnetic catalysis reactor, focusing on heat generation by induction within the catalytic bed. The bed is composed of nickel-based catalyst particles and iron wool. The methanation and reverse water-gas shift (RWGS) reactions were simulated under 1D plug flow, integrating transient dynamics. Three distinct temperature profiles were considered: gas, catalytic bed, and walls, each reflecting specific thermal properties. Heat transfer included forced convection, conduction, and natural cooling, while heat generation was localized directly in the iron wool. Simulations comparing the operation of the magnetic reactor to a shell-and-tube reactor and a resistance-heated reactor were conducted. The simulations highlighted the advantages of IH in fixed-bed reactors for both endothermic and exothermic reactions: rapid start-ups, superior dynamic performance, enhanced responsiveness to disturbances, improved energy efficiency, and thermal stability exceeding that of conventional reactors.
These results underscore the potential role of induction heating in optimizing the performance of industrial reactors, making it a valuable tool to meet the demands of modern chemical processes. |