Etude multi-échelle de l'hydrodynamique d'un digesteur agricole industriel : de la caractérisation rhéologique au développement d'un modèle compartimenté basé sur la CFD

Multi-scale study of the hydrodynamics within an industrial agricultural digester: from the rheological characterization to the development of a CFD-based compartmental model

• Auteur / Autrice : Liliane Megue kamkeng
• Direction : Eric Olmos
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Procédés Biotechnologiques
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe 3 - BIOPROMO - Bioprocédés Biomolécules
• Jury : Président / Présidente : Caroline Gentric
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Olmos, Pierre Buffiere, Cécile Lemaitre, Dominique Toye, Philippe Marchal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Buffiere, Dominique Toye

Mots clés

Mots clés libres

Digesteurs agricoles

Rhéologie

Hydrodynamique

Mécanique des fluides numérique (

Imagerie par vélocimétrie de particule (

Modèle compartimenté

Agricultural digester

Rheology

Hydrodynamics

Computational Fluid Dynamic (CFD)

Particle Image Velocimetry (PIV)

Compartmental model

Résumé

La digestion anaérobie encore appelée méthanisation est la bioconversion de la matière organique en digestat et en biogaz. Cette technologie mise en œuvre avec succès à l'échelle industrielle, a pour enjeu majeur l'amélioration des performances des sites de production afin d'augmenter leur rentabilité et ainsi permettre un développement pérenne de la filière biogaz. Dans le cas particulier des sites de méthanisation agricole, les réacteurs industriels sont généralement équipés d'un système d'agitation mécanique qui joue plusieurs rôles importants tels que d'assurer une bonne homogénéité (du substrat, de la température) ou de libérer le biogaz généré. Optimiser l'agitation permettrait donc d'intensifier le procédé de production de biogaz, et ainsi les revenus. Toutefois, la consommation énergétique des agitateurs doit aussi être prise en compte car elle représente une part importante des coûts d'exploitation en méthanisation. A ce jour, l'agitation (continue/discontinue, design des agitateurs et fréquence d'agitation) est souvent déterminée empiriquement sans intégrer les caractéristiques locales de l'hydrodynamique, les capacités de dispersion de l'agitateur ou la distribution des champs de viscosité. Dans ce travail de thèse, une approche couplant l'étude de la rhéologie non-newtonienne d'un substrat de méthanisation agricole et la caractérisation des écoulements au sein d'un digesteur industriel a été mise en place, afin de mieux comprendre les phénomènes de transport au sein des digesteurs industriel et d'établir des stratégies d'optimisation de l'agitation. Pour cela, une première étude expérimentale a été réalisée à l'échelle laboratoire afin de caractériser la rhéologie du digestat provenant du digesteur agricole industriel considéré. Cette étude comprenait la détermination du modèle rhéologique d'écoulement du digestat ainsi qu'une analyse qualitative et quantitative de l'impact de la phase solide (concentration et taille de particule) du digestat sur sa rhéologie. Les résultats obtenus ont été utilisés pour la conception et le dimensionnement d'un digesteur pilote, en similitude géométrique et hydrodynamique avec le digesteur industriel. Ce dernier a été mis en œuvre dans une seconde étude expérimentale de caractérisation des champs d'écoulement dans le digesteur à une échelle réduite, au moyen d'un fluide modèle transparent et des mesures de vitesses locales par PIV (Particle Image Velocimetry). Des simulations numériques CFD ont ensuite été menées aux échelles pilote et industrielle en utilisant respectivement le fluide modèle et le digestat. L'approche scale-down ainsi que les modèles CFD ont été validés en comparant les résultats expérimentaux et numériques de la puissance consommée par les agitateurs et de l'hydrodynamique locale. Enfin, le modèle CFD décrivant l'hydrodynamique au sein du digesteur industriel a été simplifié en utilisant une approche par compartiments en vue de son couplage futur avec le modèle cinétique ADM1. L'approche compartimentale a également été utilisée pour mettre en évidence les effets de l'agitation mécanique sur la distribution des temps de séjour du digestat au sein du digesteur industriel.

Anaerobic digestion is the bioconversion of organic matter into digestate and biogas. This technology, which has been successfully implemented at the industrial scale, faces the major challenge of improving the performance of AD plants in order to increase their profitability and thus enable the sustainable development of the biogas sector. In the specific case of agricultural AD plants, industrial reactors are generally equipped with a mechanical mixing system that plays several important roles, such as ensuring good homogeneity (of substrate and temperature) and releasing the biogas produced. Optimization of agitation system would therefore intensify the biogas production process and thus increase revenues. However, the energy consumption of the agitators must also be taken into account, as it represents a significant part of the operating costs of anaerobic digestion. To date, mixing (continuous/discontinuous, agitator design and agitation frequency) is often determined empirically without considering the local characteristics of the hydrodynamics, the dispersion capacity of the impeller or the viscosity field distribution. In this work, an approach combining the study of the non-Newtonian rheology of an agricultural AD substrate and the characterization of flows within an industrial digester has been implemented in order to gain a better understanding of transport phenomena within industrial digesters and to establish strategies for optimizing agitation. To this end, an initial laboratory-scale experimental study was carried out to characterize the rheology of the digestate from the agricultural industrial digester considered. This study included the determination of the rheological model of the digestate and a qualitative and quantitative analysis of the effect of the digestate solid phase (concentration and particle size) on its rheology. The results obtained were used to design and construct a pilot digester with geometric and hydrodynamics similar to the industrial digester. The latter was used in a second experimental study to characterize the flow fields in the digester at a reduced scale using a transparent model fluid and local velocity measurements by PIV (Particle Image Velocimetry). Numerical CFD simulations were then performed at pilot and industrial scale using the model fluid and digestate, respectively. The scale-down approach and the CFD models were validated by comparing the experimental and numerical results of the agitator power consumption and the local hydrodynamics. Finally, the CFD model describing the hydrodynamics within the industrial digester was simplified using a compartmental approach with a view to its future coupling with the ADM1 kinetic model. The compartmental approach was also used to highlight the effects of mechanical agitation on the distribution of digestate residence times within the industrial digester.