Hydrodynamique d'une colonne à bulles en régime hétérogène : nouvelles données expérimentales, mécanismes et lois d'échelle

Hydrodynamics of bubble columns in the heterogeneousregime : New datas, mechanisms and scale-up.

• Auteur / Autrice : Yann Mezui m'Obiang
• Direction : Alain Cartellier, Martín Obligado
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 29/06/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickaël Bourgoin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Huai Zhi Li, Anne-Marie Billet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Bulles -- Dynamique

Clusters (chimie)

Mots clés libres

Cluster

Vitesses de bulles

Tailles de bulles

Coalescence

Coalescence

Bubble velocities

Cluster

Résumé

Un réacteur de type colonne à bulles est une cuve cylindrique remplie de liquide au fond de laquelle du gaz est injecté pour générer l'agitation, le mélange et l'apport d'air nécessaires à différentes réactions industrielles telles que la réaction de Fischer-Tropsch ou l'oxydation des α-oléfines (pour la production d'hydrocarbures liquides), ainsi que la fermentation aérobie. Le bon fonctionnement de ces systèmes repose sur un ensemble de paramètres complexes tels que la taille et la répartition des bulles dans le milieu liquide, la viscosité turbulente, etc... Malgré une utilisation répandue de ces colonnes à bulles dans l'industrie, aucun modèle physique fiable décrivant les interactions entre les phases gazeuse et liquide n'existe à ce jour et l'exploitation de ces systèmes repose encore sur des approches semi-empiriques.Le but de cette thèse est d'améliorer notre compréhension de l'hydrodynamique dans de telles colonnes en utilisant des mesures combinées de divers paramètres tels que la fraction de vide, la taille et la vitesse des bulles, et la vitesse de la phase porteuse, afin de développer de nouveaux modèles pour ces écoulements diphasiques complexes. Les expériences seront réalisées dans des colonnes de différentes tailles allant de 400 mm à 3000 mm, en utilisant des liquides aqueux ou organiques afin de varier l'efficacité de la coalescence des bulles. Un certain nombre de techniques de mesure disponibles telles que les sondes optiques, la caméra endoscopique, le tube de Pavlov, les sondes à film chaud seront utilisées et parfois adaptées au cours du projet.Différentes avancées sont à réaliser :- L'amélioration des techniques de mesure (par exemple, le tube de Pavlov) et le déploiement de nouvelles techniques (par exemple, les sondes optiques) pour mesurer les vitesses des phases liquides et gazeuses.- L'acquisition et le traitement de longues séries temporelles de données pour mieux caractériser les clusters et les vides, notamment par analyse Voronoï, dans le but de quantifier les gradients de concentration, les vitesses et les tailles de ces structures en fonction de la taille de la colonne et du débit de gaz.- La caractérisation de la dynamique des amas par des mesures combinées de concentration et de vitesse des liquides.- L'investigation du rôle de ces structures méso-échelle sur la génération de turbulence afin de proposer des fermetures adaptées- L'analyse de la compétition entre coalescence et clustering sur la transition homogène-hétérogène.- Le développement et le test de nouveaux modèles en accord avec les résultats obtenus.La base de données ainsi constituée sera utilisée pour dériver des modèles physiques, portant sur les échanges de quantité de mouvement entre phases, les distributions de taille de bulles, la génération de turbulence, dans le but de caractériser l'écoulement de la phase porteuse (vitesse maximale, intensité de la turbulence, etc.) dans les colonnes industrielles. Ces données seront exploitées pour améliorer un modèle 1D existant et pour tester les capacités de prédiction des simulations numériques 2D/3D en cours de développement chez notre partenaire industriel IFPEN.

A bubble column reactor consists in a cylindrical vessel filled with liquid at the bottom of which gas is injected to generate the agitation, mixing and air supply necessary for different industrial reactions such as Fischer-Tropsch reaction or α-olefins oxidation (for the production of liquid hydrocarbons), as well as aerobic fermentation. The proper operation of such systems relies on a set of complex parameters such as bubble size and repartition in the liquid media, turbulent viscosity, etc… Despite a widespread use of such bubble columns in the industry, no reliable physical model describing the interactions between gas and liquid phases exists so far and the exploitation of these systems still relies on semi empirical approaches.The goal of this project is to improve our understanding of the hydrodynamics in such columns using combined measurements of various parameters such as void fraction, bubble sizes and velocities, and carrier phase velocity, in order to develop new models for these complex two phase flows. Experiments will be performed in columns of different sizes ranging from 400 mm to 3000 mm, using both aqueous or organic liquids in order to vary the efficiency of bubble coalescence. A number of available measuring techniques such as optical probes, endoscopic camera, Pavlov tube, hot film probes will be used and sometimes adapted during the project.Different advances are to be achieved:• The improvement of measurement techniques (e.g. Pavlov tube) and deployment of new ones (e.g. optical probes) to measure the velocities of both liquid and gas phases• The acquisition and processing of long time series of data to better characterise clusters and voids, notably by Voronoï analysis, with the objective of quantifying concentration gradients, velocities and sizes of these structures as a function of column size and gas flow rate• The characterization of cluster dynamics by combined concentration-liquid velocity measurements• The investigation of the role of such meso-scale structures on turbulence generation in order to propose adapted closures• The analysis of the competition between coalescence and clustering on the homogeneous-heterogeneous transition• The development and testing of new models in agreement with the results obtained.The resulting database will be used to derive physical models, focusing on momentum exchanges between phases, bubble size distributions, turbulence generation, with the objective of characterising the flow of the carrier phase (maximum velocity, turbulence intensity, etc.) in industrial columns. These data will be exploited to improve an existing 1D model and to test the predictive capabilities of 2D/3D numerical simulations currently under development at our industrial partner IFPEN