Conception et caractérisation d'échangeurs-réacteurs à structuration multi-échelle, Design and characterization of exchanger-reactors with multi-scale structuring

Meryem Saber

Description

Sous la direction de Laurent Falk, Jena-Marc Commenge
Thèse soutenue le 28 septembre 2009: INPL
La présente thèse s’intéresse à la conception et la caractérisation des procédés microstructurés mettant en œuvre des réseaux de microcanaux de différentes dimensions. L’analyse de tels réseaux multi-échelles, représentatifs d’une parallélisastion de microsystèmes élémentaires, a essentiellement servi à identifier les principaux paramètres géométriques et physiques contrôlant les performances de ces réseaux complexes. On a cherché à quantifier l’influence des paramètres géométriques comme le rapport de résistances hydrodynamiques internes, le nombre de canaux et d’échelles opérant ainsi que leur répartition sur le réseau, sur des critères hydrodynamiques comme la maldistribution du fluide et la perte de charge résistive. Il est révélé qu’en fonction des contraintes imposées, un arrangement optimal des canaux sur un nombre pair d’échelles permet de réduire considérablement la maldistribution interne des flux et les pertes de charge résultantes. L’analyse thermique associée à l’analyse hydrodynamique a montré que les performances thermiques des réseaux sont fortement liées à leurs structurations géométriques internes. En présence de réactions catalytiques consécutives, ces mêmes réseaux enregistrent des déviations du rendement du produit désiré. Ces déviations peuvent être levées par une structuration appropriée du réseau catalytique multi-canal. La même architecture de ces réseaux peut être adaptée pour permettre le déroulement des opérations de mélange et/ou des réactions multi-phasiques. Ainsi, pour ces réseaux complexes, où un nombre élevé de variables imbriquées est considéré, des lignes directrices sont ressorties pour aider à leur conception et dimensionnement
-Réseaux de microcanaux
-Perte de charge
-Efficacité
-Maldistribution
-Numbering-up
This PhD thesis focuses on the design and the characterization of microstructured processes including microchannel networks of various dimensions. The analysis of such multi-scale networks, representative of elementary microsystems parallelization, is mainly used to identify the main geometrical and physical parameters controlling the network performances. Influence of geometrical parameters, such as the internal hydrodynamic resistances ratio, the number of channels and scales and their arrangement in the network, on hydrodynamic criteria like fluid maldistribution and pressure drop is investigated. It is shown that according to some specific constraints, an optimal arrangement of the channels on an even number of scales, allows to reduce significantly the internal flow maldistribution and the consequential pressure losses. The thermal analysis coupled with the hydrodynamic analysis illustrates that the thermal performances of microchannel networks are strongly affected by their internal geometrical arrangement. Nevertheless, the various mixture points located in the network compensate the fluid maldistribution resulting from a non appropriate geometrical arrangement. When consecutive catalytic reactions are performed inside these networks, deviations of the desired product rate can be recorded. These deviations can be reduced by an optimal catalytic network arrangement. The same architecture of these networks is also adapted to allow multi-phase mixing and /or reactions. Thus, using these complex networks, where several variables are considered, guidelines are derived in order to improve their design and their dimensionless
-Microchannel networks
-Maldistribution
-Pressure drop
-Numbering-up
-Efficiency
Source: http://www.theses.fr/2009INPL047N/document

Sujets

• Perte de charge
• Efficacité

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 77
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

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Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole doctorale : RP2E
École Nationale Supérieure des Industries Chimiques de Nancy
Laboratoire des Sciences du Génie Chimique, UPR 68 CNRS





Conception et Caractérisation d’Echangeurs-
Réacteurs à Structuration Multi-échelle

THÈSE

Présentée à

L’institut National Polytechnique de Lorraine

Pour l’obtention du titre de

DOCTEUR DE L’INPL

Spécialité : Génie des procédés et des produits
Par

Meryem SABER
Ingénieur ENP-Alger

Thèse soutenue publiquement le 28 septembre 2009 devant le jury composé de :

Président : M. Michael MATLOSZ LSGC-INPL-ENSIC, Nancy-Université
meRapporteurs : M . Katja HAAS- SANTO IMVT, Karlsruhe (Allemagne)
me M . Agnès MONTILLET GEPEA, Université de Nantes
Examinateurs : M. Jean Marc COMMENGE LSGC-INPL-ENSIC,
M. Laurent FALK LSGC-CNRS, Nancy
meM . Lingai LUO LOCIE, Polytech’Savoie Remerciements


Les travaux de cette thèse ont été réalisés au sein du Laboratoire des Sciences du Génie 
chimique dont je remercie vivement tous les membres de ses équipes. 
Mes plus vifs remerciements vont tout d’abord à mes deux encadrants de thèse pour leur 
contribution efficace dans l’aboutissement de ce travail. 
 
Que Laurent Falk, mon directeur de thèse, trouve ici l’expression de ma gratitude pour m’avoir 
initié à la recherche, pour ses conseils, son œil critique et avisé ainsi que pour la confiance 
dont il a toujours fait preuve en mon égard. 
 
Que  Jean  Marc  Commenge,  mon  co­directeur  de  thèse,  trouve  ici  l'expression  de  mes 
remerciements les plus sincères pour son efficacité, son aide précieuse et permanente, et pour 
toutes les connaissances qui m’a apporté au travers mes années de thèse…un grand merci Jean 
Jean. 
 
Je remercie Agnès Montillet, Katja Haas­ Santo et Lingai LUO de m'avoir fait l'honneur de 
juger mon travail ainsi que pour leurs remarques et commentaires constructifs. Je tiens aussi à 
remercier  Michael  MATLOSZ  pour  avoir  présidé  le  jury  de  ma  thèse  ainsi  que  le  projet 
européen Impulse auquel sont associés mes travaux de recherche.   
 
Je remercie tout particulièrement Daniel Tondeur  pour son implication dans mon sujet de 
thèse, pour ce qu’il a toujours montré comme intérêt pour mon travail et pour sa contribution 
scientifique et ses qualités humaines irréprochables.  
 
Je remercie tout le personnel du laboratoire : l’atelier, le secrétariat, le service informatique et 
électronique,… pour leur contribution efficace au bon fonctionnement du laboratoire.  
 
Une dédicace spéciale à Fati et Mous et leur ange Mélissa, à Farid et Hakima et leurs fils, 
Rayan,  Racim  et  Mehdi,  un  grand  merci  pour  leurs  encouragements  et  leur  soutien  
permanent. 
 
Je remercie chaleureusement mes très chers amis pour l’ambiance très conviviale qui m’ont 
toujours apportés: Nainou et Abdou (les maitres GPM), Nabou, Lamia et Aichouche (Polytech 
freinds), Haloume,  Ali, Mehdi, Nadia­N , Foued, Nassima, Stéphan, Sabine, Hala, Paola, Sophie, 2
Abdel, Valério… et tous les jeunes docteurs, doctorants et stagiaires que  j’ai côtoyé durant ma 
thèse. 
 
Mille mercis à mes très chères tantes : Fathia, Radhia, Mina, Fatiha, Hafidha et Farida ainsi 
qu’à tous les membres de ma grande famille pour leur amour et leur soutien renouvelés. 
 
Je finis par exprimer ma gratitude et ma reconnaissance envers toutes les personnes en qui j'ai 
trouvé un soutien continu. 

2











Je dédie cette thèse à mes magnifiques grands-mères Dehbia et Baya
A ma très chère maman Leïla et mon très cher papa Khaled
A mon cher frère Amine et ma chère sœur Sissi
A tout ceux que je chérie profondément
3
Sommaire
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................................ 9

Chapitre I: Systèmes microstructurés et extrapolation multi-échelle

I.1. MICROSTRUCTURATION DES PROCEDES ET INTENSIFICATION ....................................... 13
I.2. MICROSTRUCTURATION ET MICROTECHNOLOGIES ............................................................... 14
I.2.1. TECHNIQUES DE MICROSTRUCTURATION ............................................................................................... 14
I.2.2. TECHNIQUES D’ASSEMBLAGE ................................................................................................................ 15
I.3. INTEGRATION DES MICROSYSTEMES DANS UN PROCEDE .................................................. 15
I.3.1. MICROREACTEURS ................................................................................................................................ 16
I.3.2. MICROECHANGEURS DE CHALEUR ........................................................................................................ 16
I.3.3. MICROMELANGEURS ET MICROECHANGEURS DE MATIERE ..................................................................... 18
I.4. EXTRAPOLATION DES MICROSYSTEMES ....................................................................................... 19
I.4.1. EXTRAPOLATION PAR NUMBERING-UP ................................................................................................... 19
I.4.1.1. Numbering-up externe ....................................................................................................................... 19
I.4.1.2. Numbering-up interne20
I.4.2. SURETE DU PROCEDE .......................................................................................................................... 20
I.1.DISTRIBUTION DU FLUIDE ET SYSTEMES DE DISTRIBUTION.............................................. 21
I.5.1. DISTRIBUTION DU FLUIDE ..................................................................................................................... 21
I.5.2. SYSTEMES DE CONNECTIQUE PAR APPROCHE MULTI-ECH