Hydrodynamique, transfert massique et mélange induit par un panache de bulles en fluides visqueux

Hydrodynamics, Mass Transfer and Mixing induced by Bubble Plumes in Viscous Fluids

• Auteur / Autrice : David Laupsien
• Direction : Alain Liné, Arnaud Cockx
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 08/12/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Liné, Arnaud Cockx, Rob Mudde, Michael Schluter, Véronique Roig, Markus Schubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rob Mudde, Michael Schluter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mélange

Hydrodynamique

Colonnes à bulles (réacteurs chimiques)

Écoulement diphasique

Mots clés libres

: Ecoulement Diphasique

Colonne à Bulles

Milieux Visqueux

Mélange

Transfert Massique

Multiphase Flow

Bubble Column

Viscous Media

Mixing

Mass Transfer

Résumé

Ce travail est une investigation expérimentale de l’hydrodynamique, du transfert massique et du mélange induit par un panache de bulles dans des milieux de différentes viscosités. Dans l’industrie on est souvent confronté à des problèmes de transfert et de mélange d’une phase liquide et d’une phase gazeuse afin de provoquer des réactions chimiques ou biochimiques. La plupart du temps on utilise des colonnes à bulles, simple à mettre en œuvre, pour ce type de procédé. Mais il existe d’autres situations adaptées aux très grands volumes comme par exemple les bassins d’aération de traitement des eaux ou les méthaniseurs. Dans ce cas de figure, la répartition des injecteurs de gaz doit être adaptée aux dimensions du bassin et contribuer au mélange du liquide. Ceci est autant plus vrai pour le bioréacteur de méthanisation où l’état du liquide change en continu pendant la fermentation. Cependant, il y a un manque d'informations concernant l'hydrodynamique induit par l'injection de gaz en milieu visqueux. Afin de mieux comprendre l'écoulement, le transfert massique et finalement le mélange dans ces situations, il a été décidé d’étudier le cas d'un panache de bulles, généré par un seul injecteur dans des liquides de différentes viscosités. Pour cela des expériences ont été effectuées dans deux types de colonne à bulles avec injection centrale. Un grand nombre de méthodes métrologiques tel que la PIV, l’ombroscopie, différents capteurs etc. ont été utilisés. Une attention particulière a été donnée aux fluctuations à différentes échelles induit par le mouvement oscillatoire du panache de bulles.

This work is an experimental investigation on hydrodynamics, mass transfer and mixing induced by a bubble plume. In chemical engineering, people are often confronted to mixing problems of liquid and gas to create chemical or biochemical reactions. Most of the time, bubble column of big height compared to its diameter are used for such kind or processes.But there are also situations using large scale reactors like tanks for methanization or wastewater treatment. In such configurations, spargers must be adapted to reactor dimensions and fluid properties. This particularly important for methanization reactors since fluid properties are changing continuously during the fermentation. In order to understand hydrodynamics, mass transfer and mixing it is easier to study one single bubble swarm, or so called bubble plume, first.Different experiments were figured out in two different columns types. First one is a pseudo two dimensional column (6cm * 35 cm * 130cm ) allowing the application of optical metrological methods. Hence, the gas phase was studied via shadowgraphy and the liquid phase via PIV. Plus, light intensity measurements after dye injection were done. Besides, pressure sensors and oxygen probes were used.In this way, one could study the oscillating behavior, the corresponding characteristic frequency, mass transfer and mixing time scales. In order to analyze fluid properties, a copolymer called Breox was used. Plus, two different spargers generating different bubble shapes and sizes were applied to estimate their impact. Additional experiments in a cylindrical bubble column were performed at the HDZR in Germany. The same fluids and the same spargers were used to compare results from both geometries. Due to the difficulty to apply optical methods, a Wire-Mesh system recently developed at the HZDR was used to follow the bubble plume movement. Finally, first CFD simulations showing encouraging results are presented at the end of the manuscript.