Analyse et modélisation de l'hydrodynamique locale dans les colonnes à bulles

Analysis and modelization of local hydrodynamics in bubble columns

• Auteur / Autrice : Pedro Maximiano Raimundo
• Direction : Alain Cartellier, Davide Beneventi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 14/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Evelyne Mauret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Cartellier, Davide Beneventi, Daniele Marchisio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Legendre, Romain Volk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Colonnes à bulles (réacteurs chimiques)

Mots clés libres

Colonnes à bulles

Hydrodynamique

Taille de bulles

Corrélation-croisée

Sonde optique

Bubble columns

Hydrodynamics

Bubble size

Cross-correlation

Optical probes

Résumé

Les colonnes à bulles sont largement utilisées dans les domaines du génie chimique et biologique, grâce à leur configuration simple, exempte de toute partie mobile. Néanmoins, leur extrapolation aux échelles industrielles engendre des modifications de l’hydrodynamique globale (vitesse du liquide, taille des bulles) qui sont encore difficile à prédire avec les outils numériques disponibles.La thèse a pour objectif d’établir une base de données sur l’évolution radiale et axiale de l’hydrodynamique locale (taux de vide, taille de bulles, vitesse liquide), dans différentes tailles de colonnes allant de 0.15 à 3 m de diamètre, pour des vitesses superficielles gaz comprises entre 3 et 35 cm/s, générant des taux de vide atteignant les 35%. Les mesures de taux de vide local, de vitesse de bulles et de la taille verticale des bulles sont réalisées à l’aide d’une sonde optique 1C. De plus, une nouvelle méthode pour mesurer la taille horizontale des bulles à fort taux de vide et en écoulement fortement multidirectionnel est proposée dans cette thèse. Cette méthode est basée sur la corrélation croisée spatiale de signaux provenant de deux sondes optiques placées parallèlement à la même élévation, et à une distance l’une de l’autre devant nécessairement être plus faibles que les bulles les plus petites présentes dans l’écoulement. Les mesures de taille de bulles sont validées en les comparant à un traitement d’images par endoscopie. Pour des vitesses superficielles de gaz supérieures à 9 cm/s, un bon accord est trouvé entre les trois méthodes (sonde optique 1C, corrélation croisée et endoscopie). La taille des bulles augmente légèrement lorsque la vitesse superficielle gaz augmente, par contre elle n’est pas impactée de manière significative par le diamètre des colonnes. Une plus grande ségrégation radiale est tout de même visible dans les plus grandes colonnes testées.Un modèle 1D radial développé pour un écoulement invariant le long de l’axe de la colonne est utilisé pour tester différents formalismes de forces de trainée, utilisant les données expérimentales de taille moyenne de bulles. Les simulations montrent que pour prédire correctement le flux gazeux expérimental, il est nécessaire d’introduire un « swarm factor » (Simonnet et al, 2008) diminuant le coefficient de trainée à fort taux de vide. De plus, des simulations 3D URANS avec Fluent® sont réalisées avec la loi de trainée validée par le modèle 1D précédemment cité. Un bon accord est observé entre les valeurs expérimentales et simulées des profils radiaux de taux de vide et de vitesse liquide, pour des diamètres de colonne allant de 0.4 m à 3 m, et pour des vitesses superficielle gaz de 3 à 35 cm/s.

Bubble columns reactors are widely used in chemical and biological engineering due to its simple configuration without mobile parts. However, the scale-up prediction of a bubble columns reactors is still a challenging process, due to the lack reliable experimental data and models.The present work aims to construct detailed database of the radial and axial evolution of local hydrodynamics properties (gas hold-up, bubble size and velocity, liquid velocity) acquired in several bubble columns in a scale factor of 20 (from 0.15 to 3 m in diameter), for a superficial gas velocity from 3 to 35 cm/s, yielding gas hold-ups up to 35 %. Measurements of local gas hold-up, bubble velocity and bubble vertical size are performed by a 1C mono-fiber optical probe. Moreover, a novel method to measure mean horizontal diameter of bubbles at high void fraction and in a multi-directional flow is proposed. This method is based in the spatial-cross correlation of signal of two optical probes placed parallel side by side, at a given distance from each other, at the same elevation in the column. The validation of the bubble size measurements are performed through a comparison of the results with an endoscopic imaging method. For superficial gas velocities higher than 9 cm/s, a good agreement is found between the three methods (1C mono-fiber optical probe, cross-correlation and endoscopic imaging). A slight increase is registered with the increase of the superficial gas velocity, however there is no significant variation with the column diameter.A 1-D radial model of a bubbly flow (Ueyama and Miyauchi, 1979) developed for a invariant flow along the column axis, is used to benchmark several classic formalisms of the drag force, using experimental average bubble size. Results show that to correctly predict the experimental gas flowrate, it is necessary to use a Swarm factor (Simonnet et al, 2008) that reduces the drag coefficient for high gas hold-up values. Moreover, Fluent® 3D URANS simulations are performed using the previously validated drag force formalism. A good agreement is found between experimental and simulated radial profiles of gas holdup and liquid velocity for column diameters ranging from 0.4 m up to 3 m in diameter in a range of superficial gas velocities from 3 cm/s to 35 cm/s.