Conception de nouveaux internes de colonne de distillation : une étude sur les surfaces minimales triplement périodiques (TPMS)

Innovative Distillation Column Packing Design : a Study on Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS)

• Auteur / Autrice : Gregory Homem Alves Cesar Ribeiro
• Direction : Michel Meyer, David Rouzineau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 15/07/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-2025)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Negny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Meyer, David Rouzineau, Hannsjorg Freund, Anton Alexandru Kiss, Clémence Nikitine, Catherine Vivier, Pascal Fongarland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hannsjorg Freund, Anton Alexandru Kiss
• DOI : 10.70675/6604beaaz8277z4b6bza7bczd3bd81ffe807

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Interfaces gaz-liquide

Écoulement gaz-liquide

Mots clés libres

Fabrication additive

Surfaces minimales

Garnissage

Additive manufacturing

Minimal surfaces

Packing

Résumé

Les procédés de séparation tels que la distillation et l’absorption sont essentiels, mais fortement énergivores en raison de leur faible efficacité thermodynamique. Les stratégies d’intensification des procédés, telles que la distillation réactive et les colonnes de distillation à intégration thermique (HIDiC), permettent d’améliorer cette efficacité en optimisant le transfert de chaleur et en intégrant réaction et séparation. Par ailleurs, les avancées en fabrication additive rendent possible le développement de géométries de garnissage complexes, au-delà des designs traditionnels en plaques corrugués, améliorant ainsi le transfert de matière et réduisant la consommation énergétique.Une alternative innovante repose sur les surfaces minimales triplement périodiques (TPMS), qui offrent des structures interconnectées, autoportantes et définies mathématiquement, permettant une optimisation précise des performances du garnissage et de sa morphologie dans l'espace. Ces structures ouvrent de nouvelles perspectives en matière d’économies d’énergie et d’efficacité de transfert de masse. Cette étude propose une approche fondée sur les TPMS pour le développement de nouveaux internes pour contacteurs gaz-liquide, en évaluant leurs performances en distillation et leur pertinence pour des applications en distillation réactive et en systèmes HIDiC. L’objectif final est de concevoir un système de garnissage polyvalent, capable de soutenir plusieurs stratégies d’intensification des procédés, afin d’améliorer l’efficacité et la durabilité des séparations thermiques.Ce travail est structuré en quatre parties principales. Dans un premier temps, une nouvelle méthode de conception basée sur les TPMS est présentée, accompagnée d’une première analyse du comportement de l’écoulement gazeux à l’aide de simulations CFD. La deuxième partie est consacrée à l’évaluation expérimentale du garnissage TPMS, en analysant la perte de charge gaz-liquide, l’efficacité du transfert de masse et la rétention de liquide. La troisième section explore les performances de transfert de chaleur du garnissage à travers des simulations CFD validées par des données expérimentales. Enfin, la quatrième partie propose une approche originale de conception de géométries de garnissage anisotropes radialement, optimisées pour les systèmes HIDiC, avec une évaluation des performances thermiques via des simulations CFD et des tests expérimentaux.

Separation processes like distillation and absorption are essential but highly energy-intensive due to their low thermodynamic efficiency. Process intensification strategies, such as reactive distillation and heat-integrated distillation columns (HIDiC), enhance efficiency by optimizing heat transfer and integrating reaction and separation. Additionally, advancements in additive manufacturing enable the development of complex packing geometries beyond traditional corrugated sheet designs, improving mass transfer and reducing energy consumption.A novel alternative focuses on triply periodic minimal surfaces (TPMS), which offer interconnected, self-supporting structures with mathematically defined geometries, allowing for precise optimization of packing performance and spatial anisotropy. These structures unlock new possibilities for energy savings and mass transfer efficiency. This study develops a TPMS-based approach for gas-liquid contactor packing, evaluating its performance in distillation and assessing its suitability for reactive distillation and HIDiC applications. The ultimate goal is to create a versatile packing system that supports multiple process intensification strategies, enhancing efficiency and sustainability in thermal separation processes.This work is structured into four main parts. First, a novel TPMS-based design approach is introduced, along with an initial assessment of gas flow behavior using CFD simulations. The second part focuses on the experimental evaluation of the TPMS packing, analyzing gas-liquid pressure drop, mass transfer efficiency, and liquid holdup. The third section investigates the heat transfer performance of the packing through CFD simulations validated by experimental data. Finally, the fourth part presents a novel approach for designing radially anisotropic packing geometries optimized for HIDiC systems, with heat transfer performance assessed through both CFD simulations and experimental testing.