Émulsification en systèmes microstructurés, Emulsification in micromixers

Hélène Debas

Description

Sous la direction de Huai Zhi Li, Souhila Poncin
Thèse soutenue le 10 novembre 2009: INPL
Cette thèse, intitulée « Emulsification en systèmes microstructurés », s’inscrit au sein de la tâche « Emulsification contrôlée » du projet européen IMPULSE. Deux micromélangeurs en acier inoxydable, un V-type et un Caterpillar, ont été testés en utilisant un pilote d’émulsification continue. Ces dispositifs conçus en acier inoxydable et fonctionnant comme des boîtes noires, des micromélangeurs transparents ont ensuite été utilisés afin de comprendre leurs mécanismes d’émulsification. Les paramètres-clés intervenant dans la formation de gouttes à un orifice à l’échelle macroscopique ont dans un premier temps été identifiés. A l’échelle microscopique, la formation des gouttelettes dans le micromélangeur V-type est issue de la mise en contact des jets des phases aqueuse et organique formés à la sortie de ce dispositif et d’un phénomène élongationnel avec des instabilités interfaciales. Dans le cas du Caterpillar, la taille des gouttelettes dépend de la géométrie interne des éléments en série de ce micromélangeur. La formation des gouttelettes est issue d’un phénomène de cisaillement au niveau de la jonction en Y. La réduction de la taille de ces gouttelettes est ensuite due à leur passage dans les éléments de mélange. L’utilisation de micromélangeurs transparents a, quant à elle, permis de caractériser davantage ces deux micromélangeurs par micro-PIV et caméra rapide. Enfin, une dépendance du diamètre des gouttelettes par rapport à l’énergie dissipée est constatée pour le Caterpillar mais par pour le V-type. L’énergie dissipée dans ces deux micromélangeurs semble être moindre et les émulsions formées de meilleure qualité par rapport aux procédés classiques d’émulsification
-Gouttelette
-Efficacité énergétique
-MicroPIV
-Formation
-Micromélangeur
-Emulsion
This thesis, entitled “Emulsification in micromixers” was carried out within the framework of the Task “Controlled Emulsification” of the European IMPULSE project. Two micromixers in stainless steel, the V-type and the Caterpillar, were tested in an experimental setup. These microdevices working as black boxes, transparent micromixers were used after to gain insight into the fundamental mechanisms for emulsification. Firstly, the key parameters enabling the drop formation at macroscopic scale were identified. At microscopic scale, the droplet formation in the V-type micromixer results from the contact of aqueous and organic phases jets at the outlet of the microdevice and from elongational phenomena with interfacial instabilities. In the case of the Caterpillar, the droplets size depends on the internal geometry of the microdevice. The droplet formation can be mainly attributed to the shearing phenomena at the Y-junction. The decrease of the droplets’ size is then due to their passage through the mixing elements in series in the outlet channel. Moreover, the use of transparent micromixers allows to characterize these two micromixers by the micro-PIV and high speed camera. A straightforward relationship between the energy dissipation and the size of droplets was established for the Caterpillar, but not for the V-type. Moreover, the energy dissipation within these two micromixers is lower and the emulsions obtained having a more satisfactory quality than in the case of the classical emulsification processes
-Droplet
-Formation
-MicroPIV
-Energetic efficiency
-Micromixer
-Emulsion
Source: http://www.theses.fr/2009INPL075N/document

Sujets

• Goutte (physique)
• Efficacité énergétique
• Émulsion

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 39
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

AVERTISSEMENT



Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
universitaire élargie.
Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa
version papier. Ceci implique une obligation de citation et de
référencement lors de l’utilisation de ce document.
D’autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite entraîne une
poursuite pénale.

Contact SCD INPL: mailto:[e-mail]




LIENS




Code de la propriété intellectuelle. Articles L 122.4 e la propriété intellectuelle. Articles L 335.2 – L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm

Institut National Polytechnique de Lorraine ENSIC
2, Avenue de la Forêt de Haye 1, Rue Grandville
BP 3 BP 20451
F-54501 Vandoeuvre-les-Nancy Cedex F-54001 Nancy Cedex



Laboratoire des Sciences du Génie Chimique Ecole Doctorale RP2E
UPR CNRS 6811 Ressources Procédés Produits Environnement
1, Rue Grandville
BP 20451




THESE


présentée en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine

spécialité
Génie des Procédés et des Produits



Emulsification en systèmes microstructurés


Par

Hélène Debas



Soutenue publiquement le 10 Novembre 2009, devant le jury composé de :



Président du jury M. Michael Matlosz, Professeur (LSGC-ENSIC, Nancy)
Rapporteurs M. Pascal Guiraud, Professeur (INSA, Toulouse)
M. Patrick Tabeling, Directeur de recherche (MMN-ESPCI, Paris)
Examinateurs M. Huai-Zhi Li, Professeur (directeur de thèse, LSGC-ENSIC, Nancy)
M. Patrick Löb, Docteur - Ingénieur (IMM, Mayence, Allemagne)
Mme. Souhila Poncin, MdC (co-directrice de thèse, LSGC-ENSIC, Nancy)




REMERCIEMENTS

Je voudrais tout d’abord remercier chaleureusement Pascal Guiraud et Patrick Tabeling qui
ont accepté d’être rapporteurs de ma thèse. Leurs conseils et leurs remarques très pertinentes
ont permis d’apporter un recul et une dimension supplémentaire à ce travail. Je tenais
également à remercier Patrick Löb, examinateur et également coordinateur de la tâche 3.3
intitulée « Emulsification contrôlée ». Malgré la barrière de la langue, ses suggestions ont fait
avancer ce travail tout au long de la thèse. Enfin, merci à Michael Matlosz, directeur du projet
européen IMPULSE et directeur de l’ENSIC, de m’avoir fait l’honneur d’être président de
jury.

Je tenais ensuite à exprimer mes remerciements aux personnes qui m’ont encadrée et tout
d’abord à Huai Zhi Li, mon directeur de thèse, qui m’a fait confiance, m’a apporté ses
conseils, son expérience dans le domaine des gouttes, son recul sur le travail de thèse. Je lui
en suis vraiment reconnaissante.

Je voulais également remercier ma co-directrice de thèse, Souhila Poncin. Merci pour nos
nombreuses discussions scientifiques, nos échanges et tous les conseils pratiques du début de
la thèse à la soutenance. Ta joie de vivre et ta gentillesse ont égayé ces trois années.

Je tenais à remercier également Noël Midoux pour tout ce qu’il a apporté lors de cette thèse.
Ces nombreux conseils lors de réunions en interne, mais aussi sa disponibilité et son recul ont
permis d’enrichir ce travail. Son aide très importante dans la partie sur la formation et la
déformation des gouttes à l’échelle macroscopique a été plus que remarquable.

Ce travail de thèse a pu être menée à bien grâce aux différents échanges avec l’ensemble des
partenaires européens que ce soit par mail, par téléphone ou lors de réunions. Je voudrais
remercier plus particulièrement Alberto Simoncelli de Procter & Gamble, Andreas Hensel de
FZK, Patrick Löb de IMM mais également Sven Englert et Marcel Liauw du laboratoire
RWTH Aachen. Les échanges constants sur les problèmes rencontrés et sur les résultats
obtenus ont été d’une aide précieuse.


Je tenais également à remercier Michel Sardin, de m’avoir accueillie au sein de ce laboratoire,
François Lapicque, responsable du groupe SYSPOL (Systèmes Polyphasiques), pour sa
gentillesse ainsi que toutes les personnes rencontrées durant ces trois années.

Enfin, plus largement, je tenais à exprimer mes remerciements à toutes les personnes qui ont
contribué à la bonne réussite de cette thèse. L’atelier de mécanique du laboratoire a réalisé un
travail considérable et construit entièrement le pilote d’émulsification continue avec lequel
j’ai travaillé. Merci pour la rapidité dont vous avez fait preuve, l’ingéniosité et votre bonne
humeur générale. Le service technique (SEMI) a permis, quant à lui, d’acquérir les données
expérimentales utilisées pour comparer les différentes technologies de micromélangeur. Merci
pour la conception de l’armoire électrique ou encore le calorifugeage du pilote. Enfin, je
tenais à remercier le service informatique, le secrétariat et la reprographie pour leur aide
précieuse durant l’ensemble de ce travail.

èmeJe me dois de partager la réussite de cette thèse avec plusieurs étudiants en 3 année à
l’ENSIC que j’ai encadrés successivement ; je veux ici parler de Amélie Pouplin,
Elodie Legard, Laurent Richard et Amélie Michel. Nos nombreux échanges et discussions ont
permis de faire avancer ce travail. Leurs joies de vivre ont apporté une excellente ambiance
dans le laboratoire.

Un remerciement tout particulier va à Nicolas Dietrich pour nos nombreux échanges d’idées,
lui, spécialisé dans la formation des bulles et moi dans les gouttes. Ce fut une véritable joie de
partager mon bureau avec Nicolas durant ces trois ans. Nos nombreuses discussions furent
très enrichissantes. Merci à toi !

Je voudrais enfin remercier mes proches et plus particulièrement ma famille pour leur soutien,
leur confiance sans faille et leur aide durant cette thèse. Merci aussi d’avoir cru en moi durant
toutes ces années. Une pensée toute particulière va à mon grand-père qui malheureusement
n’aura pas pu assister à la fin de cette thèse… Il m’a soutenue et accompagnée durant toutes
ces années…

Enfin, cette thèse n’aurait pas pu être menée à bien sans les précieux conseils, l’aide et le
soutien à toute épreuve de Guillaume, l’homme de ma vie, mon confident et maintenant mon
mari. Il a toujours été présent et cru en moi… Un très grand merci !

SOMMAIRE


NOMENCLATURE.............................................................................................................................................. 9


INTRODUCTION................ 15


CHAPITRE I – Revue bibliographique ............................................................................................................ 21

I. EMULSIONS.................... 23
I.1. Les tensioactifs............ 24
I.2. Stabilité des émulsions............................................................................................................................... 26
II. FORMATION DE GOUTTES A L’ECHELLE MACROSCOPIQUE .................................................... 27
II.1. Formation de gouttes sans écoulement orthogonal extérieur.................................................................... 28
II.1.1. Régime quasi-statique....................................................................................................................... 29
II.1.2. Régime inertiel... 29
II.1.3. Régime de jet..... 32
II.2. Mouillabilité.............. 32
II.3. Formation de gouttes en présence d’un écoulement orthogonal extérieur................................................ 34
III. EVOLUTION DES PROCEDES D’EMULSIFICATION : DES PROCEDES CLASSIQUES AUX
MICROMELANGEURS..... 35
III.1. Généralités................ 35
III.2. Généralités sur les micromélang