Dissipation d'énergie et caractérisation du mélange dans des réacteurs continus oscillatoire

Energy dissipation and mixing characterization in continuous oscillatory baffled reactor

• Auteur / Autrice : Marco Antonio Ávila López
• Direction : Martine Poux, Joelle Aubin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 16/07/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Xuereb
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Poux, Joelle Aubin, Laurent Falk, Giuseppina Montante, Claudio Fonte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Falk, Giuseppina Montante

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Réacteurs chimiques

Mélanges (chimie)

Mots clés libres

COBR

Dissipation énergétique

Macromélange

Micromélange

CFD

COBR

Energy dissipation rate

Macromixing

Micromixing

CFD

Résumé

Cette thèse de doctorat vise à étudier le micro et macromélange dans un réacteur continu à flux oscillatoire (COBR) lors de l’injection d'un composé secondaire dans l’écoulement principal. L'effet de la position de l’alimentation secondaire, l'influence des conditions oscillatoires et de la puissance dissipée sur les performances de macro et de micromélange sont analysés à l'aide de simulations numériques et d'expériences réalisées dans un réacteur commercial OBR Nitech® avec des constrictions lisses. La dissipation d'énergie est calculée par simulation numérique (CFD) en utilisant deux méthodes différentes - via la dissipation d'énergie visqueuse et par bilan de l’énergie mécanique, cette dernière étant préférée car elle est moins exigeante en terme de nombre de mailles. Un nouveau nombre adimensionnel caractérisant la puissance dissipée est proposé, outil spécifique de prédiction de la puissance dissipée dans les COBRs et indispensable pour l’extrapolation. L’analyse de la qualité spatiale du mélange a montré que, pour une position de la source d’injection correctement choisie, les performances du mélange s’améliorent considérablement en passant de 2% à 87% par rapport au système parfaitement mélangé lorsque le rapport des débits oscillatoire et net augmente. L'influence des conditions oscillatoires et du débit de l’alimentation secondaire sur la qualité du micromélange est analysée. Des amplitudes élevées et des fréquences basses sont préférables aux amplitudes basses et aux fréquences élevées et conduisent à une meilleure performance de micromélange.

The focus of this thesis is to study the macro and micromixing performance of a secondary component in the bulk flow and how it should be introduced into a COBR. The effect of the position of secondary feeds, the influence of the oscillatory conditions and power dissipation on the macro and micromixing performance is studied, using numerical simulations and experiments carried out in a commercial Nitech® OBR with smooth constrictions. Energy dissipation is calculated through CFD simulations using two different ways – via viscous energy dissipation and the mechanical energy balance, the latter being preferred due to its lower demand for a refined computational mesh. A dimensionless power density number is obtained and proposed as a useful tool in the prediction of power density in COBRs. The impact of the position where a secondary feed enters the COBR on the spatial mixing quality is studied, and shows that when the source position is chosen correctly, an increase in the velocity ratio enhances mixing performance from 2% to 87% of the perfectly mixed state. The influence of the oscillatory conditions and flow rate of a secondary feed on the micromixing quality is analysed. Micromixing performance does not appear to correlate directly with power density. However, higher amplitudes and lower frequencies are preferred over lower amplitudes and higher frequencies to have a better micromixing performance. An attempt at characterising macromixing in the COBR experimentally using a coloured tracer was made however unexpected mixing performance was observed. Some preliminary experiments therefore focused on the behaviour of the tracer upstream of the COBR as a function of the oscillatory conditions.