Etude de l’influence de la géométrie des canaux sur les performances d’un réacteur/échangeur, Study of the channels’ geometry impact on the performances of a heat reactor/exchanger

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Sous la direction de Michel Cabassud
Thèse soutenue le 28 octobre 2009: INPT
Le couplage de la réaction et de l’échange thermique au sein du même appareil est intéressant lors de la mise en oeuvre de synthèses exothermiques. L’appareil étudié est un échangeur/réacteur fonctionnant en continu dont la structure est basée sur celle des échangeurs de chaleur à plaques. Le passage du batch au continu n’est pas sans difficultés et une des manières d’intensifier les transferts tout en conservant un temps de séjour suffisant (régime laminaire) est de structurer, en 2D, le chemin réactionnel. Les caractérisations expérimentales et numériques de différentes géométries de canaux ondulés ont permis de comprendre les mécanismes qui influencent les performances thermohydrauliques et le comportement des écoulements. Des corrélations reliant les critères de performance au nombre de Dean ont été établies et la démarche d’optimisation d’une géométrie en fonction des contraintes d’utilisation a pu être définie. Les premiers pas vers l’extrapolation font l’objet de la dernière partie de ces travaux et présentent un enjeu important pour le développement industriel de ces technologies. Les résultats de cette étude ont souligné l’intérêt d’un paramètre adimensionnel caractéristique : le nombre de Dean interne, qui permet de conserver les performances thermo-hydrauliques et donc de prédire leur évolution lors du processus de changement de taille.
-Intensification des procédés
-Réacteur/échangeur
-Canaux ondulés
-Nombre de Dean
-Extrapolation
Coupling reaction and heat transfer in the same unit is an interesting way to perform exothermic reactions. The studied apparatus is a continuous heat exchanger/reactor. Its structure is based on plate heat exchangers’ one. The main difficulty when transposing batch reactions to continuous ones is to intensify the heat and mass transfers and maintain at the same time enough residence time (laminar regime). A way to remove this barrier is to structure in two dimensions the chemical path in order to obtain a wavy channel. The experimental and numerical characterizations of several wavy geometries allowed us to understand the mechanisms’ impact on the thermo-hydraulic performances and on the flow behaviour. The performances criteria have been correlated to the Dean number and the optimisation of the geometry has been made according to industrial specifications. Finally, the scale-up procedure has been studied. Our results showed that the conservation of a characteristic number: the internal Dean number allows the prediction of the performances and of the flow behaviour when the characteristic size of the wavy channel increases.
-Process intensification
-Heat exchanger/reactor
-Wavy channel
-Dean number
-Scale-up
Source: http://www.theses.fr/2009INPT024G/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l'Institut National polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie des Procédés et de l'Environnement


Présentée et soutenue par Zoé ANXIONNAZ
Le 28 Octobre 2009

Titre :
Etude de l'influence de la géométrie des canaux sur les performances d'un
réacteur/échangeur.

JURY
Mme Marie-Elisabeth BORREDON (Présidente du jury)
M. Laurent FALK (Rapporteur)
M. Hassan PEERHOSSAINI (Rapporteur)
M. Michel CABASSUD (Directeur de thèse)
M. Christophe GOURDON (co-encadrant)
M. Hocine KABIR (Examinateur)
M. Patrice TOCHON (Examinateur)


Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés (MEGeP)
Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique (LGC), Toulouse
Directeur(s) de Thèse : M. Michel CABASSUD
Rapporteurs : M. Laurent FALK et M. Hassan PEERHOSSAINI

REMERCIEMENTS
Remerciements




Ces trois années de thèse sont passées à une allure folle mais resteront inoubliables
grâce aux belles rencontres que j’ai eu la chance de faire et à l’expérience formidablement
enrichissante qu’elles m’ont apportées. Je me suis levée tous les matins (sauf les
weekends !) pendant trois ans avec le plaisir d’aller travailler, sincèrement ; avec l’envie
d’avancer, de ne pas décevoir ceux qui m’ont fait confiance et de présenter ces travaux de
thèse avec fierté.


Je souhaite pour cela remercier du fond du cœur mes deux encadrants de tous les
jours, Michel Cabassud et Christophe Gourdon, dont la complémentarité est indiscutable et
tellement efficace. Michel, merci pour tes encouragements, tes remarques toujours si
avisées arrivant à point nommé et ton soutien sans relâche. Christophe, merci pour ton
enthousiasme débordant si communicatif, la confiance que tu m’as accordée depuis la
relecture des « phénomènes de transfert en génie des procédés » et ta faculté étonnante de
pouvoir remonter le moral en quelques mots. Je vous suis sincèrement reconnaissante pour
tout ce que vous m’avez apporté, votre expérience inestimable, votre savoir partagé et
espère pouvoir un jour vous rendre la pareille. Merci pour l’implication que vous m’avez
donnée dans des projets passionnants, et pour les très bons moments passés en votre
compagnie.

Je tiens également à remercier chaleureusement Patrice Tochon, pour les
nombreuses « casquettes » que tu as su endosser au cours de ces trois années, pour
m’avoir toujours accordé du temps quand j’en avais besoin, donné des conseils précieux (si
l’on excepte Wilson !), et m’avoir fait profité de ton expérience si riche. Bien sûr je te suis
profondément reconnaissante pour la confiance que tu m’accordes en tant que chef du
LETh, pour m’avoir ouvert de nouvelles portes dorées, pour m’avoir permis de retrouver ces
montagnes qui me sont chères…


Je souhaite remercier également les membres de mon jury de thèse.
Merci à Marie-Elisabeth Borredon pour m’avoir fait l’honneur de présider ce jury avec
dynamisme et efficacité.
J’adresse mes sincères remerciements à Hocine Kabir qui a bien voulu apporter une touche
« industrielle » à ce jury et dont les remarques ne peuvent qu’apporter optimisme quant aux
applications de nos travaux.
Merci également à Laurent Falk d’avoir rapporté mon travail avec intérêt et enthousiasme.
J’ai vraiment apprécié vos commentaires et les perspectives alléchantes qui se dessinent.
Merci Hassan Peerhossaini, pour avoir rapporté mon manuscrit mais également pour toutes
tes remarques judicieuses et tes conseils avisés dont j’ai eu la chance de bénéficier au cours
de la thèse.
v REMERCIEMENTS


Une pensée également à l’équipe « intensification » du LGC dont je tiens à en
remercier tous les membres. Les compétences diverses et variées font la force de cette
équipe et enrichissent les échanges. Je remercie en particulier Laurent Prat pour m’avoir
présentée à CharlyRobot et Nadine Gabas qui m’a initée à la recherche dès mon stage de
ème3 année d’école. Un grand merci à Sébastien Elgue, fidèle au poste, et toujours disponible
pour apporter son aide et débloquer quelques calculs.

Je ne concevais pas cette thèse sans expérimentations, merci à tous ceux qui font
tourner les « manips » et sans qui elles ne seraient pas si fiables. Merci à Lucien Pollini qui
effraie un peu au début mais dont l’expérience et les bonnes idées sont inestimables. Merci
à Alain Müller pour avoir pris tant de soin et de temps à surfacer mes nombreuses plaques.
Sans cela, les tests n’auraient pas aussi bien aboutis.
Je tiens bien sûr à remercier Franck Dunglas qui m’a donné une formation en raccords
Swagelok de grande qualité et dont les pas de danse resteront gravés ! Enfin merci à tous
les autres techniciens, Alec, Lahcen, Bernard, Ignace, Jean-Louis,…toujours de bonne
humeur et prêts à dépanner quand on en a besoin.

Je tiens également à remercier Jean-François Fourmigué, expert en Fluent, et sans
qui je n’aurai jamais pu réaliser la partie numérique de ces travaux. Son expertise est
précieuse et ses conseils toujours très avisés. Merci !

L’implication de ces travaux dans deux projets, l’un du programme de l’ANR, RAPIC
et l’autre du programme énergie du CNRS, EXTRAPOLIS, a apporté beaucoup. La
fédération de disciplines différentes et d’organismes variés autour d’un même projet a permis
d’enrichir considérablement ces travaux et constitue une sacrée expérience personnelle. Je
remercie pour cela mes encadrants, Michel, Christophe et Patrice. Merci de m’avoir tant
impliquée (et de m’avoir fait gagner tous ces miles !!). Comme le dit si bien cette citation de
B. Franklin : « Tu me dis, j’oublie. Tu m’enseignes, je me souviens. Tu m’impliques,
j’apprends »…
Merci également à tous les membres de ces deux projets, qui au fil des discussions et des
réunions m’ont appris beaucoup. Merci Dominique Della Valle pour tes bonnes idées, tes
encouragements et tes paroles réconfortantes, merci Hassan Peerhossaini pour tes conseils
avisés, merci Raphaël Couturier pour tes questions tellement utiles !

Ces trois années ont permis également de nouer de belles amitiés. Laurie, Nicolas,
Edgar, Amélie…Merci pour ces super moments passés en votre compagnie au bord des
routes du Tour ! au coin d’une terrasse de café, au détour d’une scène ou à Thalès tout
simplement !

Merci également à Nathalie, toujours de bon conseil et aux autres filles du bureau, Fahima,
Emeline et Carole qui ont fait de ce grand bureau de Basso un endroit très agréable à vivre.
Merci à Félicie qui m’a initiée à la polymérisation interfaciale, à Marianne toujours souriante
et réconfortante, et à tous les autres doctorants qui font qu’il règne une super ambiance au
laboratoire.

vi REMERCIEMENTS
Enfin, merci à ceux qui sont toujours présents à mes côtés,
Marion, Gildas, Tata Annick et toute ma famille d’Est en Ouest,
Papa, Maman, merci pour tout, pour m’avoir mené jusqu’ici, pour m’avoir toujours
encouragée. Je n’aurai jamais fait tout ce chemin sans vous.

Enfin merci Yoan, pour ton amour, ton soutien de tous les jours et pour tout le reste…
vii
RESUME
Résumé




Lors de la mise en œuvre de synthèses exothermiques, les procédés batch ou semi-
batch sont généralement limités par le transfert de chaleur. Afin de s’affranchir de cette
limitation, il est proposé de coupler en un seul et unique appareil, la réaction et l’échange
thermique. L’appareil étudié est un échangeur/réacteur fonctionnant en continu dont la
structure est basée sur celle des échangeurs de chaleur à plaques : la plaque dans laquelle
circule le fluide réactionnel est insérée entre deux plaques de refroidissement.
Le passage du batch au continu n’est pas sans difficultés et une des manières d’intensifier
les transferts tout en conservant un temps de séjour suffisant (régime laminaire) est de
structurer, en 2D, le chemin réactionnel. Le but de ces travaux est de caractériser l’influence
de la géométrie des canaux sur les performances de l’échangeur/réacteur. Les
caractérisations expérimentales, complétées par des simulations numériques (code CFD),
concernent les pertes de charge, le mélange (mélange global et micromélange), les
distributions de temps de séjour et les performances thermiques.
Les géométries testées sont au nombre de sept et sont définies par l'angle des coudes, leur
rayon de courbure, la longueur droite entre deux coudes, le facteur de forme du canal (ratio
entre sa largeur et sa hauteur) et son diamètre hydraulique.
Les caractérisations expérimentales et numériques ont permis de comprendre les
mécanismes qui influencent les performances thermo-hydrauliques et le comportement des
écoulements. Des corrélations reliant les critères de performance au nombre de Dean ont
été établies et la démarche d’optimisation d’une géométrie en fonction des contraintes
d’utilisation a pu être définie.
Les premiers pas vers l’extrapolation font l’objet de la dernière partie de ces travaux et
présentent un enjeu important pour le développement industriel de ces technologies. Les
résultats de cette étude ont souligné l’intérêt d’un paramètre adimensionnel caractéristique :
le nombre de Dean interne, qui permet de conserver les performances thermo-hydrauliques
et donc de prédire leur évolution lors du processus de changement de taille.


Mots-Clés : Intensification des procédés, Réacteur/échangeur, Canaux ondulés,
Nombre de Dean, Extrapolation.


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