Ecoulements liquide-liquide dispersés homogènes en conduite horizontale: approche locale en milieu concentré

Jean-Pierre Hulin

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
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 JURY M. Jean-Pierre HULIN Rapporteur M. Geoffrey HEWITT Rapporteur M. John HINCH Examinateur M. François CHARRU Examinateur Mme Sandrine DECARRE Membre invitée M. Olivier MASBERNAT Directeur de thèse M. Alain LINE Directeur de thèse Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse Directeur(s) de Thèse : O. Masbernat et A. Liné Présentée et soutenue par Amélie POUPLIN Le 16 décembre 2009 Titre : Ecoulements liquide-liquide dispersés homogènes en conduite horizontale: approche locale en milieu concentré

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• approche locale en milieu

Sujets

• Müller
• Labadie
• Institut national polytechnique de Toulouse
• Hewitt
• Université de Toulouse

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 décembre 2009
• Nombre de lectures: 56
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

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A mon arrière grandmère J. Schneider

Remerciements Cette thèse est l’aboutissement de trois années de recherche passées au sein du Laboratoire de Génie Chimique. Elle n’aurait pas vu le jour sans le concours ni le soutien de nombreuses personnes… Je voudrais commencer par remercier mes directeurs de thèse Alain Liné et Olivier Masbernat. Je vous remercie pour tout ce que vous m’avez appris, pour vos conseils et votre confiance. Je tiens à remercier Sandrine Décarre pour sa confiance et son soutien pendant ses trois années.

Je remercie également tous les membres du jury : Messieurs Hulin et Hewitt d’avoir accepté de rapporter ce travail, pour leur lecture minutieuse du manuscrit, leurs remarques et toutes les discussions intéressantes que nous avons eu, Monsieur Charru d’avoir fait partie de ce jury et pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail, et enfin Monsieur Hinch de m’avoir fait l’honneur de

présider ce jury et pour son enthousiasme face aux résultats.

Je tiens à remercier l’ensemble du personnel technique du laboratoire, en particulier, Jacques Labadie, Alain Muller, Lahcen Fahri, Ignace Coghe et Christine Rey pour leur aide, leur disponibilité et leur bonne humeur. Je remercie également Emmanuel Cid et surtout Sébastien Cazin pour les conseils techniques et leur aide concernant l’utilisation de la chaîne PIV.

Je souhaite adresser un grand merci à tous les amis du labo, Nicolas, Alicia, Mallorie, Edgar, Zoé, Laurie, Félicie, Ilyes, Micheline pour toutes nos discussions et les moments partagés ensemble, tous les « anciens » du bureau GIMD Nelson, Romain, Christophe, Lynda, Soualo, Asif, Nicolas et Baptiste, ainsi que Charlotte, Marianne, Maha, Riccardo, Julie… et tous ceux que je n’ai pas nommés… Je terminerai par remercier ma famille, mes grands parents, mes parents, JeanBaptiste, Arnaud, Eric, Benoît et enfin Nicolas pour ton infinie patience…

e t e

D D H d p d 32 d max f g N n Pr R T t d t t U m V v V * v

Nomenclature L t r s latines diamètre de la conduite diamètre hydraulique diamètre des gouttes diamètre de Sauter diamètre maximum stable facteur de frottement accélération de pesanteur vitesse de rotation fréquence indice de l’écoulement production turbulente rayon de la conduite température temps de relaxation des gouttes temps caractéristique de la turbulence vitesse moyenne de l’écoulement vitesse instantanée fluctuation de vitesse vitesse locale moyenne vitesse de frottement Lettres grecques macro échelle de Taylor micro échelle de Taylor dissipation turbulente porosité dans les mélangeurs statiques facteur de consistance ( chapitre 5 ) nombre d’onde ( chapitre 4 ) échelle de Kolmogorov viscosité dynamique de la phase continue viscosité dynamique de la phase dispersée viscosité dynamique du mélange masse volumique de la phase continue masse volumique de la phase dispersée masse volumique du mélange viscosité cinématique du mélange tension interfaciale taux de cisaillement fraction volumique terme de contrainte terme de contrainte à la paroi terme de contrainte visqueuse terme de contrainte turbulente distance à la paroi

L l e e MS k h µ c µ d µ m r c r d r m n m s . g f t t p t ! t t d

m m m m m  2 2 m .s 1 tr.min Hz  2 3 m .s m °C s s 1 m.s 1 m.s 1 m.s 1 m.s 1 m.s

m m 2 3 m .s  n Pa.s 1 m m 1 1 kg.m .s 1 1 kg.m .s 1 1 kg.m .s 3 kg.m 3 kg.m 3 kg.m 2 1 m .s Pa.m 1 s  Pa Pa Pa Pa m

Nombres adimensionnels Canombre Capillaire

Fr

Re m

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Indices c d m

nombre de Froude

nombre de Reynolds de mélange

nombre de Stokes nombre de Weber

phase continue phase dispersée indice de mélange

µ g  d c p 1 2 s 2 r U c m 1 D r gd p r U D m m 1  m 1t t d t 2 r DU c m 1 s

Sommaire            2.1.D ISPOSITIF EXPERIMENTAL ................................................................................................................. 14 2.1.1.Système de phases ......................................................................................................................... 14 2.1.2.La boucle liquideliquide .............................................................................................................. 14 2.1.3.Métrologie ..................................................................................................................................... 18 2.2.V ELOCIMETRIE PAR I MAGES DE P ARTICULES (PIV)............................................................................ 19 2.2.1.Principe de la PIV ......................................................................................................................... 19 2.2.2.Montage du système PIV ............................................................................................................... 20 2.2.3.Calcul des vitesses instantanées.................................................................................................... 23 2.3.Q UALIFICATION DE L ’ ECOULEMENT EN REGIME TURBULENT .............................................................. 27 2.3.1.Perte de charge ............................................................................................................................. 27 2.3.2.Champ de vitesse........................................................................................................................... 28 2.4.C ARACTERISATION DES ECOULEMENTS DISPERSES ............................................................................. 31 2.4.1.Distribution de taille des gouttes................................................................................................... 31 2.4.2.Homogénéité des écoulements dispersés....................................................................................... 34 2.4.3.Stabilité des écoulements dispersés en régime turbulent .............................................................. 39 2.5.C ONCLUSION ...................................................................................................................................... 42         3.1.W ALL FRICTION AND EFFECTIVE VISCOSITY OF A HOMOGENEOUS DISPERSED LIQUID  LIQUID FLOW IN A HORIZONTAL PIPE .............................................................................................................................................. 49 3.2.F ROTTEMENT PARIETAL DES DISPERSIONS FORMEES PAR LES MELANGEURS STATIQUES ..................... 73 3.2.1.Régime d’écoulement .................................................................................................................... 73 3.2.2.Frottement pariétal ....................................................................................................................... 76 3.3.C ONCLUSION ...................................................................................................................................... 77        4.1.R EGIME TURBULENT ........................................................................................................................... 83 4.1.1.Etude du champ moyen ................................................................................................................. 84 4.1.2.Etude du champ fluctuant.............................................................................................................. 90 4.1.3.Bilan de quantité de mouvement ................................................................................................... 92 4.1.4.Echelles de turbulence .................................................................................................................. 95 4.1.5.Discussion sur les interactions gouttes/turbulence ..................................................................... 106 4.1.6.Dispersion de gouttes de taille d 32 ≈400m ................................................................................. 109 4.1.7.Bilan sur la turbulence des écoulements dispersés ..................................................................... 112 4.2.R EGIME I NTERMITTENT .................................................................................................................... 113 4.2.1.Etude du champ moyen ............................................................................................................... 114 4.2.2.Termes de contraintes visqueuse et turbulente............................................................................ 117 4.2.3.Etude du champ fluctuant............................................................................................................ 120 4.2.4......................................................... 124Bilan sur les écoulements dispersés en régime intermittent 4.3.R EGIME LAMINAIRE .......................................................................................................................... 125 4.3.1.Etude du champ moyen ............................................................................................................... 126 4.3.2.Bilan de quantité de mouvement ................................................................................................. 128 4.3.3.Etude des fluctuations de vitesse longitudinale........................................................................... 130 4.3.4.Bilan sur les écoulements dispersés en régime laminaire ........................................................... 133 4.4.C ONCLUSION .................................................................................................................................... 135

   5.1.P ARAMETRES DE L ’ ECOULEMENT ..................................................................................................... 140 5.2.P ROFILS DE VITESSE .......................................................................................................................... 142 5.3.L OI DE COMPORTEMENT ................................................................................................................... 143 5.4.V ISCOSITE APPARENTE ..................................................................................................................... 149 5.5.L OI DE FROTTEMENT PARIETAL ......................................................................................................... 153 5.6.C ONCLUSION .................................................................................................................................... 157        ! " #  1.1.P ROFILS DE VITESSE LONGITUDINALE ............................................................................................... 176 1.2.P ROFILS NORMALISES DE VITESSE LONGITUDINALE .......................................................................... 180 1.3.P ROFIL DE VITESSE RADIALE ............................................................................................................. 184 1.4.P ROFILS DES VITESSES RMS ............................................................................................................... 188 1.5.B ILAN DE QUANTITE DE MOUVEMENT ............................................................................................... 192 "    2.1.P ROFILS DE VITESSE LONGITUDINALE ............................................................................................... 198 2.2.P ROFIL DE VITESSE RADIALE ............................................................................................................. 201 2.3.P ROFILS DES VITESSES RMS ............................................................................................................... 204 2.4.T ERMES DE CONTRAINTES VISQUEUSE ET TURBULENTE .................................................................... 207 "   3.1.P ROFILS DE VITESSE LONGITUDINALE ............................................................................................... 212 3.2.C OMPARAISON ENTRE LA CONTRAINTE VISQUEUSE ET LE TERME DE PERTE DE CHARGE ................... 215