Caractérisation de l'hydrodynamique gaz-liquide et du transfert de matière dans les mélangeurs statiques SMX

Characterization of gas-liquid hydrodynamics and mass transfer in SMX static mixers

• Auteur / Autrice : Marco Scala
• Direction : Huai Zhi Li
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Serge Simoëns
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Huai Zhi Li, Daniele L. Marchisio, Joelle Aubin, Lionel Gamet, Louis-Marie Malbec, Mounir Bouaifi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniele L. Marchisio, Joelle Aubin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colonnes à bulles (réacteurs chimiques)

Transfert de masse

Interfaces gaz-liquide

Hydrodynamique

Malaxeurs et mélangeurs

Mots clés libres

Hydrodynamique multiphasique

Mélangeur statique Sulzer SMXTM

Intensification des procédés

Simulations CFD

Vélocimétrie par images de particules (HF-PIV)

Transfert de matière

Multiphase Hydrodynamics

Sulzer static mixer SMXTM

Process intensification

CFD simulations

Particle Image Velocimetry (HF-PIV)

Mass transfer

Résumé

Le mélange de deux ou plusieurs fluides est une opération courante dans tous les procèdes industriels. L’objectif principal du mélange est d'augmenter l'aire interfaciale entre les phases afin d'améliorer le transfert de masse et de chaleur et de faciliter ensuite les réactions chimiques. Parmi les mélanges multiphasiques, on retrouve la dispersion gaz-liquide. L'objectif de cette thèse est d'examiner un type spécifique de mélangeurs : le mélangeur statique. Un mélangeur statique est un dispositif, placé dans une conduite afin d'assurer un mélange de fluides sans partie mobile. Ils sont généralement constitués d'une série d'éléments qui provoquent des accélérations locales et l'étirement des courants de fluide pour atteindre un mélange souhaité. Les vastes applications des mélangeurs statiques dans de nombreux procèdes industriels nécessitent une meilleure connaissance de l'hydrodynamique de ces appareils. L'hydrodynamique de l'écoulement gaz-liquide à travers un mélangeur statique Sulzer SMXTM dans une conduite cylindrique verticale été étudiée. L'objectif principal du présent travail était d'évaluer la performance du mélangeur statique Sulzer SMXTM dans les procèdes industriels pour les applications gaz-liquide. Les données ont été recueillies principalement à l'aide de deux techniques optiques, soit la technique Backlight Shadowgraph Technique (BST) et la vélocimétrie par image de particules (PIV). Des mélangeurs statiques imprimés en 3D ont été fabriqués en plastique transparente afin de faciliter la visualisation optique. Trois différents liquides ont été utilisés comme phase continue : l'eau, l'eau avec SDS et l'heptane. La phase liquide est restée stagnante pendant les expériences. Cinq différentes longueurs de mélangeurs (avec 1, 2, 5, 10 et 15 éléments) et plusieurs débits d'azote gazeux de 1 à 10 l/h ont été analysés. Le comportement d'un tube vide, agissant comme une colonne à bulles, a été étudié comme référence de comparaison. La distribution des diamètres des bulles à l'entrée et à la sortie des mélangeurs SMX a été évaluée. Les champs de vitesse à l'intérieur des mélangeurs ont été quantifiés. La rétention du gaz a également été examiné.L'efficacité de transfert d'oxygène dans un mélangeur statique SMX a été évaluée en mesurant l'oxygène global transféré. Le coefficient de transfert de masse vers la zone interfaciale kLa a été déterminé et s'est avéré être plus élevé dans le mélangeur. Des simulations numériques du mélangeur ont été effectuées grâce à OpenFOAM. Ces simulations 3D étaient principalement axées sur le comportement de la SMX avec un liquide organique à faible débit de gaz (1 l/h). Les résultats expérimentaux ont été largement confirmés par des simulations numériques et vice versa. La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux apporte un nouvel éclairage au fonctionnement d'un mélangeur statique SMXTM.

The mixing of two or more fluids is a rather common operation in all industrial processes. The main target of the mixing is to increase the interface area between phases in order to improve mass and heat transfer and facilitate then chemical reaction. Among the multiphase mixing stands out the gas liquid dispersion. The aim of the present work is to examine a specific type of mixers, namely the static mixer. Static mixers are located into a housing or pipeline to ensure a high blending of fluids. They are usually made by a series of inserts, in turn designed by holes, helical elements and oblique blades. These elements cause local accelerations and stretching of the fluid currents to reach a high mixing efficiency. The wide applications of static mixers in numerous industrial processes require better knowledge of the hydrodynamics in these devices. The gas-liquid flow pattern through a Sulzer static mixer SMXTM mounted in a vertical cylindrical tube was investigated in this study. The main goal was to assess the performance of the Sulzer static mixer SMXTM for gas-liquid applications in industrial processes. Experimental data were collected from two main optical techniques, Backlight Shadowgraph Technique (BST) and Particle Image Velocimetry (PIV). 3D-printed static mixers were manufactured using transparent plastic in order to provide optical access. Three different liquids were used as the continuous phase, namely water, water with SDS and normal-heptane. The liquid phase was kept stagnant during the experiments. Five different lengths of mixers (with 1, 2, 5, 10 and 15 elements respectively) and several gaseous nitrogen flow rates from 1 to 10 l/h were analysed. The behaviour of the simple tube without mixing device, acting like a bubble column, was investigated as a reference, for comparison purposes with the SMXTM. Bubble diameter distributions at the inlet and outlet of the SMX mixers were evaluated. The velocity fields inside the mixers were quantified. The gas hold-up was also measured. The oxygen transfer performance in the SMX static mixer in air/water mixture was assessed by measuring the overall oxygen transferred. The mass transfer coefficient to the interfacial area kLa was determined and proved to be larger in the mixer. Volume-of-fluid numerical simulations of the mixer were performed with OpenFOAM. These 3D simulations were mainly focused on the behaviour of the SMX in an organic system at low gas flow rate (1 l/h). The numerical simulations were satisfactorily validated by experimental results. The comparison and the combination of the numerical and experimental results bring new insight into the flow pattern in a SMXTM static mixer.