Compréhension des écoulements diphasiques et des mécanismes de transfert associés dans les écoulements inertiels de Dean

Multiphase flows and transfer mechanisms in inertial and Dean flow regimes

• Auteur / Autrice : Antoinette Maarawi
• Direction : Michel Cabassud, Nathalie Di Miceli Raimondi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance le 24/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Nolwenn Le Pierrès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Cabassud, Nathalie Di Miceli Raimondi, Nolwenn Le Pierrès, Agnès Montillet, Jean-Marc Commenge, Thierry Lemenand, Zoé Anxionnaz, Pierre Coste
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Montillet, Jean-Marc Commenge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Écoulement diphasique

Transfert de masse

Mots clés libres

Échangeur réacteur

Millicanaux ondulés

Transfert de matière liquide liquide

Extrapolation

Modélisation

Intensification des procédés

Heat exchanger reactor

Millimetric zigzag channel

Liquid liquid mass transfer

Scale up

Numerical simulation

Process intensification

Résumé

Les échangeurs/réacteurs milli-structurés se sont avérés prometteurs pour la mise en oeuvre de synthèses chimiques, notamment rapides et exothermiques. L’échangeur/réacteur à plaques « DeanHex » doté d’un milli-canal ondulé est un exemple de tels dispositifs. Ses performances thermo-hydrauliques ont été caractérisées à l'échelle du laboratoire ; cependant, peu de travaux concernent le transfert de matière. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à caractériser le transfert de matière liquide-liquide dans le DeanHex afin de pouvoir envisager l’implémentation de différentes réactions et accroître la polyvalence de tels dispositifs. Des études expérimentales sont menées sur trois milli-canaux de dimensions croissantes afin d’évaluer l’influence de la taille des canaux sur le transfert de matière et sur les configurations d’écoulement. Des cartographies d’écoulements et des lois d’extrapolation du coefficient de transfert de matière sont établies. Ces corrélations servent à alimenter et valider le modèle complet du DeanHex développé en se basant sur une nouvelle approche numérique. Elle consiste à représenter le canal réactionnel par un modèle 1D couplé à un modèle 3D pour le solide environnant. Ce modèle complet de l’échangeur/réacteur intégrant les mécanismes thermo-hydrauliques, les cinétiques réactionnelles (réaction monophasique) et le transfert de matière est validé à partir à la fois de résultats de simulations en CFD 3D (Computational Fluid Dynamics) et de résultats expérimentaux.

Milli-structured heat exchangers/reactors have proven to be promising for the implementation of chemical syntheses, especially rapid and exothermic ones. The ''DeanHex'' plate heat exchanger/reactor with a corrugated milli-channel is an example of such devices. Its thermohydraulic performances have been characterized at the laboratory scale; however, few works concern the mass transfer. In this context, this PhD work aims at characterizing the liquid-liquid mass transfer in the DeanHex in order to consider the implementation of different reactions and increase the versatility of such devices. Experimental studies are conducted on three millichannels of increasing dimensions to evaluate the influence of channel size on the mass transfer and flow patterns. Flow maps and mass transfer laws are established. These correlations can be integrated in the developed DeanHex model based on a new proposed numerical approach. It consists of representing the reaction channel by a 1D model coupled to a 3D model for the surrounding solid. The built model for the heat exchanger/reactor includes thermo-hydraulic mechanisms, kinetics (1-phase reactions) and mass transfer laws. It is validated with 3D CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation results as well as experimental results.