Intensification des phénomènes de transfert via ultrasons dans les milli-réacteurs continus

Intensification of transfer phenomena via ultrasound in continuous milli-reactors

• Auteur / Autrice : Louis Ahouré
• Direction : Christophe André, Seyed Amir Bahrani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energetique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 02/06/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations
• Partenaire(s) de recherche : École d'ingénieurs : JUNIA
• Jury : Président / Présidente : Luc Fillaudeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cathy Castelain, Nicolas Gondrexon, Odin Bulliard-Sauret, Alina Ghinet, Marion Gaudeau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurie Barthe, Xiaofeng Guo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colorimétrie

Traitement d'images -- Techniques numériques

Écoulement monophasique

Écoulement diphasique

Mélanges (chimie)

Ultrasons -- Applications industrielles

Transfert de masse

Microréacteurs chimiques

Mots clés libres

Milli-réacteurs

Milli-Channel

Ultrasound

Mixing

Colorimetry

Résumé

La miniaturisation consiste à réaliser dans des dispositifs de taille micrométrique ou millimétrique des opérations qui ont lieu habituellement dans des dispositifs de taille centimétrique ou métrique. L'intérêt de cette pratique est d'augmenter le ratio surface/volume dans le but d'intensifier les phénomènes de transfert (massique et thermique). Cela permet d'accroître d'avantage le contrôle des conditions opératoires (pression, température, etc) et d'améliorer les performances de l'opération (rendement, sélectivité, etc). Cependant le confinement du milieu opératoire implique généralement un écoulement laminaire dans celui-ci, ce qui peut provoquer des problèmes de mélange tout en favorisant l'encrassement et les bouchons. Les ultrasons peuvent être utilisés pour résoudre ces problèmes grâce aux effets générés par la force de radiation tels que les courants acoustiques et la cavitation acoustique. L'objectif de la thèse a été d'étudier un mélange monophasique (liquide/liquide) et un mélange biphasique (liquide/solide) dans un mini-canal ultrasonore appelé MERCUS (Mini Échangeur-Réacteur Continu UltraSonore). Pour les deux systèmes, une analyse spatio-temporelle du mélange a été réalisée en fonction du ratio puissance électrique/débit, de la viscosité et du rapport temporel d'application des ultrasons. L'analyse du mélange liquide/liquide est basée sur une méthode de colorimétrie reliant le niveau de gris à la concentration du soluté E133 à partir des photos monochromes (noir et blanc) de la zone de mélange. L'analyse du mélange liquide/solide est basée sur une méthode de binarisation utilisant le contraste entre l'eau et des particules de polyamide pour binariser des photos monochromes de la zone de mélange. Les ondes ultrasonores ont montré leur capacité à homogénéiser les deux systèmes en moins de deux secondes (la vitesse du mélange dépend de la puissance et du débit). Une densité d'énergie électrique optimale permettant d'homogénéiser les deux systèmes (sans pertes d'énergie inutiles) a été détectée à 260 J/ml lorsque la viscosité du milieu dans notre canal était de 1 mPa*s. L'augmentation de la viscosité et la réduction du rapport temporel d'application des ultrasons ont dégradé le mélange. Enfin, les résultats ont montré que peu importe la méthode d'application des ultrasons (continus ou intermittents) la qualité de mélange du système (monophasique ou biphasique) dépend principalement de la quantité d'énergie par volume transmise au fluide en écoulement.

Miniaturisation consists of carrying out operations in micrometric or millimetric devices that usually take place in centimetric or metric devices. The reason for this practice is to increase the surface/volume ratio in order to intensify the transfer phenomena (mass and thermal). This makes it possible to further increase the control of the operating conditions (pressure, temperature, etc.) and to improve the performance of the operation (yield, selectivity, etc.). However, the confinement of the operating environment generally implies a laminar flow in it, which can cause mixing problems while promoting fouling and plugging. Ultrasound can be used to solve these problems through the effects generated by the radiation force such as acoustic currents and acoustic cavitation. The objective of the thesis was to study a single-phase (liquid/liquid) and a two-phase (liquid/solid) mixture in a mini ultrasonic channel called MERCUS (Mini-Exchanger-Reactor Continuous UltraSound). For both systems, a spatio-temporal analysis of the mixture was carried out as a function of the ratio of electrical power to flow rate, viscosity and the time ratio of ultrasound application. The liquid/liquid mixing analysis is based on a colorimetric method relating the grey scale level to the concentration of solute E133 from monochrome (black and white) pictures of the mixing zone. The analysis of the liquid/solid mixture is based on a binarisation method using the contrast between water and polyamide particles to binarise monochrome pictures of the mixing zone. Ultrasonic waves have been shown to homogenise the two systems in less than two seconds (the mixing speed depends on the power and flow rate). An optimum electrical energy density to homogenise the two systems (without unnecessary energy losses) was detected at 260 J/ml for our ultrasonic channel when the viscosity of the medium was 1 mPa[dollar]times[dollar]s. Increasing the viscosity and reducing the ultrasonic application time ratio degraded the mixture. Finally, the results showed that regardless of the method of ultrasonic application (continuous or intermittent) the mixing quality of the system (single-phase or two-phase) depends mainly on the amount of energy per volume transmitted to the flowing fluid.