Hydrodynamique et transfert de matière gaz-liquide autour des bulles de Taylor : études locales utilisant une technique colorimétrique pendant la phase d'écoulement dans un milli-réacteur plan en forme de spirale et pendant le processus de formation de bulles dans une géométrie en croix

Gas-liquid hydrodynamics and mass transfer around Taylor bubbles : local investigations using a colorimetric method during the flowing stage in an in-plane spiral-shaped milli-reactor and during the bubble formation process at a cross-junction geometr

• Auteur / Autrice : Mei Mei
• Direction : Gilles Hebrard, Nicolas Dietrich
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 14/04/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Billet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Hebrard, Nicolas Dietrich, Rufat Abiev, Norbert Kockmann, Régis Philippe, Eric Olmos, Karine Loubiere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rufat Abiev, Norbert Kockmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement gaz-liquide

Analyse colorimétrique

Transfert de masse

Mots clés libres

Transfert de matière gaz-Liquide

Bulles de Taylor

Milli-Réacteur en forme de spirale

Formation de bulles

Méthode colorimétrique

Traitement d'image

Gas-Liquid mass transfer

Taylor bubbles

In-Plane spiral-Shaped milli-Reactor

Bubble formation

Colorimetric technique

Image processing

Résumé

Les nouvelles technologies continues, en particulier les réacteurs microstructurés, sont désormais reconnues comme des alternatives pertinentes aux procédés batch dans une démarche d’intensifier des procédés. La compréhension du transfert de matière gaz-liquide dans ces microréacteurs reste une thématique de recherche active car de nombreuses questions scientifiques demeurent, concernant notamment le fort couplage entre l'hydrodynamique, le transfert de matière et la cinétique des réactions chimiques.Cette thèse vise à étudier l'hydrodynamique et le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor spécifiquement dans deux géométries : (1) un milli-réacteur plan en forme de spirale, initialement conçu pour des applications en photochimie organique, and (2) une géométrie en croix. La technique colorimétrique utilisant la résazurine a été mise en œuvre et améliorée pour quantifier précisément le transfert de matière en dioxygène intervenant entre la bulle d'air et la phase aqueuse.Des mesures dans le milli-réacteur plan en forme de spirale (~ 3 m de longueur) ont d'abord été effectuées. Deux configurations, caractérisées par diverses plages de rapport de courbure des tubes, ont été comparées. Une augmentation linéaire de la longueur et de la vitesse des bulles avec la position axiale a été observée. Des bulles de Taylor et des bouchons liquides très longs ont pu être générés. A même nombre de Reynolds, une force centrifuge plus élevée induit des longueurs de bulles de Taylor plus courtes et n’affecte que légèrement les longueurs des bouchons liquides. Les coefficients volumétriques de transfert de masse ont été quantifiés à partir de la connaissance des positions pour lesquelles une coloration maximale est atteinte. Ces coefficients ont été corrélés linéairement aux fréquences de recirculation dans les bouchons liquide et le facteur d'intensification entre les deux configurations géométriques s’est avéré proportionnel à l'augmentation du nombre de Dean moyen. La variation axiale du flux massique cumulé d’oxygène transféré a été mesurée et une loi d'échelle du nombre de Sherwood a été établie.Ensuite, un accent particulier a été porté sur des bulles de Taylor générées à partir d’une géométrie en croix, afin de mieux comprendre le mécanisme de transfert de matière pendant le processus de formation des bulles. Une meilleure qualité des images a été obtenue grâce à un dispositif d'imagerie optique amélioré. Pour un faible nombre de Reynolds, l’existence d’un ‘pont’ de forte concentration en oxygène a été mis en évidence entre la bulle nouvellement formée et le film de gaz au niveau du point du pincement de la bulle. Il a également été observé comment l'oxygène dissous est transporté d'abord par le liquide entrant dans la géométrie en croix, et ensuite par les boucles de recirculation en cours de formation à l'intérieur du bouchon de liquide. Pour des nombres de Reynolds supérieurs, un mécanisme différent a été mis en évidence: d’une part deux zones hautement concentrées en oxygène ont été visualisées près de l'arrière de la bulle juste formée et en proche paroi du canal, et d’autre part une structure d'écoulement beaucoup plus complexe dans le bouchon liquide est générée. A partir de la variation axiale de la concentration moyenne d'oxygène, les coefficients volumétriques de transfert de masse ont été mesurés et comparés à ceux obtenus dans le milli-réacteur en forme de spirale. Une corrélation reliant ces coefficients aux fréquences de recirculation a été proposée, prenant en compte l’effet du rapport de courbure.Au final, ces travaux ont permis d'acquérir des connaissances sur l'hydrodynamique et le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor, et notamment sur l'effet de la force centrifuge et durant et après l’étape de formation de bulles. Ces résultats pourront servir pour établir des lois d’échelle en vue de la mise en œuvre de réactions polyphasiques dans des réacteurs microstructurés continus.

Continuous-flow technologies, especially microstructured reactors, are now recognized as relevant alternatives for batch processing, and thus for process intensification. The understanding of gas-liquid mass transfer in such microreactors is still an active research topic regarding the strong coupling between local hydrodynamics, mass transfer, and chemical reaction kinetics.This thesis aims at studying gas-liquid hydrodynamics and mass transfer around Taylor bubbles in two configurations. The first one concerns bubbles flowing in an in-plane spiral-shaped milli-reactor, initially designed for organic photochemistry applications, and the second one involving bubbles generated at a cross-junction. A colorimetric technique based on the resazurin dye was implemented and improved to monitor the oxygen mass transfer occurring between the air bubble and the aqueous phase.The investigations in the in-plane spiral-shaped milli-reactor (3 m reactor length) were firstly reported. Two configurations, characterized by various tube curvature ratio ranges, were compared. In terms of hydrodynamics, a linear increase of bubble length and velocity with the axial position was observed. Very long, stable Taylor bubbles (up to 40 times the tube inner diameter) and long liquid slugs (up to 20 times the tube inner diameter) were generated. At identical Reynolds numbers, a higher centrifugal force led to shorter Taylor bubble lengths while only slightly affecting the liquid slug lengths. Concerning the mass transfer, the variation of the equivalent oxygen concentration inside the liquid slugs was successfully measured all along the tube length. Overall volumetric mass transfer coefficients were quantified from the knowledge of the full coloration positions: they could be linearly related to the recirculation frequencies in the liquid slug and the intensification factor between the two configurations was found to be proportional to the increase in average Dean number. Considering the changes in pressure drop, bubble length, and velocity, the axial variation of cumulated mass flux was measured and an original scaling law for Sherwood number established by introducing a normalized time and other dimensionless numbers.A special focus was then made on the gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles generated at a cross-junction. The objective was here to get a deeper understanding of the mass transfer mechanism during the bubble formation process. Thanks to an improved optical imaging device (monochromatic light and magnification), higher quality of images could be achieved. Among all the results obtained, one could point out, for low two-phase superficial Reynolds number, the occurrence of an oxygen concentration ‘bridge’ formed between the newly formed bubble and the gas thread at the bubble pinch-off point. It was also observed how the dissolved oxygen was transported first by the entering liquid from two side inlets, and later by the developing recirculation loop inside the liquid slug. For higher Reynolds numbers, a different mechanism was highlighted: two highly concentrated oxygen concentration spots were formed near the just-formed bubble rear and the channel wall region, and a much more complex flow structure in the liquid slug appeared. At last, from the variation of averaged oxygen concentration at different positions after the cross-junction, overall mass transfer coefficients and mass flux densities were deduced, and a scaling law proposed.At last, this work made it possible to gain knowledge on gas-liquid hydrodynamics and mass transfer characteristics around Taylor bubbles, especially on the effect on centrifugal force, and during and just after the bubble formation stage. These findings could be used to provide guidelines to implement multiphase reactions in continuous flow microstructured reactors.