Avril, 2021

14apr9 h 30 min11 h 00 minSoutenance de thèse Mei Mei

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Détails

Thèse intitulée « Hydrodynamique et transfert de matière gaz-liquide autour des bulles de Taylor: études locales utilisant une technique colorimétrique pendant la phase d’écoulement dans un milli-réacteur plan en forme de spirale et pendant le processus de formation de bulles dans une géométrie en croix« 

Elle se tiendra le 14 Avril à 09h30,  en visioconférence.

Vous pourrez y assister en utilisant ce lien: https://zoom.us/j/99414057783

Composition du jury

M. Rufat ABIEV St. Petersburg State Institute of Technology Rapporteur
M. Norbert KOCKMANN Technische Universität Dortmund Rapporteur
M. Régis PHILIPPE LGPC, CNRS Examinateur
M. Eric OLMOS LRGP, Université de Lorraine Examinateur
Mme Anne-Marie BILLET LGC, Toulouse INP /ENSIACET Examinatrice
M. Benjamin LALANNE LGC,  Toulouse INP /ENSIACET Membre Invité
M. Gilles HEBRARD TBI, INSA Directeur de thèse
Mme Karine LOUBIERE LGC, CNRS Co-directrice de thèse
M. Nicolas DIETRICH TBI, INSA Co-directeur de thèse

Résumé:

Les nouvelles technologies continues, en particulier les réacteurs microstructurés, sont désormais reconnues comme des alternatives pertinentes aux procédés batch dans une démarche d’intensification des procédés. La compréhension du transfert de matière gaz-liquide dans ces microréacteurs reste une thématique de recherche active car de nombreuses questions scientifiques demeurent, concernant notamment le fort couplage entre l’hydrodynamique, le transfert de matière et la cinétique des réactions chimiques.

Cette thèse vise à étudier l’hydrodynamique et le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor spécifiquement dans deux géométries : (1) un milli-réacteur plan en forme de spirale, initialement conçu pour des applications en photochimie organique, and (2) une géométrie en croix. La technique colorimétrique utilisant la résazurine a été mise en œuvre et améliorée pour pouvoir quantifier précisément le transfert de matière en dioxygène intervenant entre la bulle d’air et la phase aqueuse. Il a été ainsi possible d’accéder, avec une bonne résolution spatiale et temporelle, aux champs de concentration en oxygène dissous.

Des mesures dans le milli-réacteur plan en forme de spirale (~ 3 m de longueur) ont d’abord été effectuées. Deux configurations, caractérisées par diverses plages de rapport de courbure des tubes, ont été comparées. Une augmentation linéaire de la longueur et de la vitesse des bulles avec la position axiale a été observée et des bulles de Taylor et des bouchons liquides très longs ont pu être générés. A même nombre de Reynolds, des forces centrifuges plus élevées induisent des longueurs de bulles de Taylor plus courtes et n’affectent que légèrement les longueurs des bouchons liquides. Les coefficients volumétriques de transfert de masse ont été quantifiés à partir de la connaissance des positions pour lesquelles une coloration maximale est atteinte. Ces coefficients ont été corrélés linéairement aux fréquences de recirculation dans les bouchons liquide et le facteur d’intensification entre les deux configurations géométriques s’est avéré proportionnel à l’augmentation du nombre de Dean moyen. La variation axiale du flux massique cumulé d’oxygène transféré a été mesurée et une loi d’échelle pour le nombre de Sherwood établie, prenant notamment en compte les effets d’entrée et de courbure.

Ensuite, un accent particulier a été porté sur des bulles de Taylor générées à partir d’une géométrie en croix, afin de mieux comprendre le mécanisme de transfert de matière pendant le processus de formation des bulles et juste après leur détachement. Des images de grande qualité ont été obtenues grâce à un dispositif d’imagerie optique amélioré. Pour un faible nombre de Reynolds, l’existence d’un ‘pont’ de forte concentration en oxygène a été mis en évidence entre la bulle nouvellement formée et le film de gaz au niveau du point du pincement de la bulle. Il a également été observé comment l’oxygène dissous est transporté d’abord par le liquide entrant dans la géométrie en croix, et ensuite par les boucles de recirculation en cours de formation à l’intérieur du bouchon de liquide. Pour des nombres de Reynolds supérieurs, un mécanisme différent a été mis en évidence: d’une part deux zones hautement concentrées en oxygène ont été visualisées près de l’arrière de la bulle juste formée et en proche paroi du canal, et d’autre part une structure d’écoulement beaucoup plus complexe dans le bouchon liquide est générée. A partir de la variation axiale de la concentration moyenne d’oxygène, les coefficients volumétriques de transfert de masse ont été mesurés et comparés à ceux obtenus dans le milli-réacteur en forme de spirale. Une corrélation reliant ces coefficients aux fréquences de recirculation a été proposée, prenant en compte l’effet du rapport de courbure.

Au final, ces travaux ont permis d’acquérir des connaissances sur l’hydrodynamique et le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor, et notamment sur l’effet de la force centrifuge et durant et après l’étape de formation de bulles. Ces résultats pourront servir pour établir des lois d’échelle en vue de la mise en œuvre de réactions polyphasiques dans des réacteurs microstructurés continus.

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Ph.D. defense titled “Gas-liquid hydrodynamics and mass transfer around Taylor bubbles: local investigations using a colorimetric method during the flowing stage in an in-plane spiral-shaped milli-reactor and during the bubble formation process at a cross-junction geometry” on April 14th at 9:30 a.m. You can join us at the following link:

https://zoom.us/j/99414057783

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Abstract:

Continuous flow microstructured reactors are relevant alternatives for batch processing, especially for multiphase reactions. This work aims at studying gas-liquid hydrodynamics and mass transfer around Taylor bubbles in two configurations: bubbles flowing in an in-plane spiral-shaped milli-reactor designed for photochemistry applications, and bubbles generated at a cross-junction in a milli-channel. By improving the resazurin-based colorimetric technique and developing specific image acquisition and processing, the time- and spatial-resolved dissolved oxygen concentration fields were measured in the liquid phase.

In the in-plane spiral-shaped milli-reactor (~3m tubing length), the effects of pressure drop and centrifugal force were investigated first on the axial variations of bubble lengths, liquid slug lengths and bubble velocities, and then on the equivalent oxygen concentration fields. This enabled a scaling law for Sherwood number to be established by introducing a normalized time and other dimensionless numbers.

In the second configuration, the different bubble pinch-off patterns were first identified. From the equivalent oxygen concentration fields, the mechanisms of mass transfer during and just after bubble formation were visualized and discussed depending on the operating conditions. Either an equivalent oxygen concentration ‘bridge’ formed at the pinch-off point or two high equivalent oxygen concentration fields near the formed bubble rear and channel wall region formed with recirculation loop were observed. For both configurations, the overall volumetric mass transfer coefficients, deduced from these fields, were found to linearly vary with the recirculation frequencies in the liquid slugs, and to be enhanced by centrifugal forces. Finally, a scaling law based on recirculation frequency and curvature ratio was proposed.

Date et heure

(Wednesday) 9 h 30 min - 11 h 00 min

Location

Visioconférence

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