Multiscale study and modeling of dispersion properties relevant for liquid-liquid extraction : adaptation of breakup and coalescence kernels to industrial processes

par Simone Castellano

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Nida Sheibat-Othman et de Sophie Charton.

Soutenue le 05-11-2019

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Automatique, de Génie des Procédés et de génie Pharmaceutique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Lance.

Le jury était composé de Nida Sheibat-Othman, Sophie Charton, Éric Schaer.

Les rapporteurs étaient Ingmar Nopens, Jerzy Bałdyga.

  • Titre traduit

    Étude et modélisation multi-échelle des propriétés des émulsions pour les procédés d’extraction liquide-liquide : adaptation des noyaux de rupture et de coalescence aux cas industriels


  • Résumé

    Ce projet de thèse porte sur l'étude de l'hydrodynamique des dispersions dans les extracteurs liquide-liquide utilisés dans l'industrie du recyclage nucléaire. Dans la première partie du projet, un modèle de bilan de population homogène (0D-PBM), basé sur l'évaluation des taux moyens en volume de coalescence et de rupture, est proposé. La méthode tient compte des inhomogénéités spatiales dans le mélange, notamment de la fonction de densité de probabilité de la dissipation de l’énergie cinétique turbulente dans l’appareil. Le modèle est capable de reproduire les expériences de dispersion liquide-liquide turbulentes à faible viscosité. Dans la deuxième partie de cette étude, un modèle généralisé pour les noyaux de rupture et coalescence, valable pour l’ensemble du spectre de la turbulence, est proposé et validé. La plupart des noyaux disponibles dans la littérature sont basés sur la fonction de structure de second-ordre de Kolmogorov, qui n'est valable que dans le domaine inertiel. Cependant, dans des nombreuses situations rencontrées au niveau industriel, la plupart des gouttes peuvent avoir une taille dans le domaine dissipatif, où la fonction de structure de second-ordre de Kolmogorov ne s'applique pas. Le modèle généralisé est basé sur la fonction de structure de second ordre de Davidson, valable dans tout le spectre de la turbulence. Dans la dernière partie de l'étude, un modèle permettant de simuler le comportement hydrodynamique d'une colonne pulsée est proposé. Le modèle est basé sur un bilan de population 1D, dont les termes source ont été modélisés à l'aide des noyaux de Coulaloglou et Tavlarides généralisés. Les inhomogénéités turbulentes dans la colonne pulsée ont été prises en compte par la fonction de densité de probabilité du taux de dissipation turbulent. Un bon accord modèle-expérience est obtenu en ce qui concerne le diamètre et la concentration moyenne des gouttes dans un compartiment


  • Résumé

    This PhD project deals with the study of the hydrodynamics of the dispersions in the liquid-liquid extractors employed in the nuclear recycle industry. In the first part of the project, a zero-dimensional homogenous Population Balance Model (0D-PBM), based on the evaluation of the volume-averaged coalescence and breakup rates, is adopted to fit low-viscosity turbulent liquid-liquid dispersion experiments. The method accounts for the spatial inhomogeneities in mixing, namely for the probability density function of the turbulent kinetic energy dissipation in the apparatus. In the second part of this study, a generalized model for the breakage and coalescence kernels, valid for the entire spectrum of turbulence, is proposed and validated. Most of the available kernels in literature indeed are based on the Kolmogorov second-order structure function, which is only valid in the inertial subrange. However, in many industrially encountered situations, most of the droplets may have size in the dissipation range, where the Kolmogorov second-order structure function does not apply. The generalized model is based on the Davidson second-order structure function, valid in the entire spectrum of turbulence. In the last part of the study, a model that allows to simulate the hydrodynamic behavior of a pulsed column is proposed. The model is based on a 1D Population Balance Equation (1D-PBE), whose source terms were modeled through the generalized Coulaloglou and Tavlarides kernels. The turbulent inhomogeneities in the pulsed column were accounted through the probability density function of the turbulent dissipation rate. The model well reproduces the experimental Sauter mean diameters and the dispersed phase volume fractions in a compartment of the pulsed column


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