En vue de l'obtention du

Yves Gonthier Rapporteur

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 Yves Gonthier Rapporteur Ryszard Pohorecki Rapporteur Claude de Bellefon Examinateur Stéphane Colin Examinateur Catherine Xuereb Directrice de Thèse Joelle Aubin Co-Encadrante Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés (MEGEP) Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique (LGC), Toulouse Directrice de Thèse : Catherine Xuereb Présentée et soutenue par Norbert Völkel Le 04 décembre 2009 Design and characterization of gas-liquid microreactors

• collaboration au sujet de la micro-piv


• travail sur l'hydrodynamique de l'écoulement diphasique dans les microcanaux et sur les couplages


• amélioration du design des microréacteurs gaz-liquide


• flow regimes


• longueur des bulles et des poches


• gas- liquid mass


• influence du design du microcanal sur l'hydrodynamique


• ecoulement

Sujets

• Volkel
• Müller
• Rapporteur
• Theron
• Gonthier
• Xuereb

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 décembre 2009
• Nombre de lectures: 46
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE 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 Norbert Völkel
Le 04 décembre 2009

Design and characterization of gas-liquid microreactors


JURY

Yves Gonthier Rapporteur
Ryszard Pohorecki Rapporteur
Claude de Bellefon Examinateur
Stéphane Colin Examinateur
Catherine Xuereb Directrice de Thèse
Joelle Aubin Co-Encadrante



Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés (MEGEP)
Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique (LGC), Toulouse
Directrice de Thèse : Catherine Xuereb


Summary

The present project deals with the improvement of the design of gas-liquid microreactors. The term
microreactor characterizes devices composed of channels that have dimensions in the several tens to
several hundreds of microns. Due to their increased surface to volume ratios these devices are a
promising way to control fast and highly exothermic reactions, often employed in the production of
fine chemicals and pharmaceutical compounds. In the case of gas-liquid systems, these are for
example direct fluorination, hydrogenation or oxidation reactions. Compared to conventional
equipment microreactors offer the possibility to suppress hot spots and to operate hazardous reaction
systems at increased reactant concentrations. Thereby selectivity may be increased and operating costs
decreased. In this manner microreaction technology well fits in the challenges the chemical industry is
continuously confronted to, which are amongst others the reduction of energy consumption and better
feedstock utilization. The main topics which have to be considered with respect to the design of gas-
liquid μ-reactors are heat and mass transfer. In two phase systems both are strongly influenced by the
nature of the flow and thus hydrodynamics play a central role. Consequently we focused our work on
the hydrodynamics of the two-phase flow in microchannels and the description of the inter-linkage to
gas-liquid mass transfer. In this context we were initially concerned with the topic of gas-liquid flow
regimes and the main parameters prescribing flow pattern transitions. From a comparison of flow
patterns with respect to their mass transfer capacity, as well as the flexibility offered with respect to
operating conditions, the Taylor flow pattern appears to be the most promising flow characteristic for
performing fast, highly exothermic and mass transfer limited reactions. This flow pattern is
characterized by elongated bubbles surrounded by a liquid film and separated from each other by
liquid slugs. In addition to the fact that this flow regime is accessible within a large range of gas and
liquid flow rates, and has a relatively high specific interfacial area, Taylor flow features a recirculation
motion within the liquid slugs, which is generally assumed to increase molecular transport between the
gas-liquid interface and the bulk of the liquid phase. From a closer look on the local hydrodynamics of
Taylor flow, including the fundamentals of bubble transport and the description of the recirculation
flow within the liquid phase, it turned out that two-phase pressure drop and gas-liquid mass transfer
are governed by the bubble velocity, bubble lengths and slug lengths. In the following step we have
dealt with the prediction of these key hydrodynamic parameters. In this connection the first part of our
experimental study was concerned with the investigation of the formation of bubbles and slugs and the
characterization of the liquid phase velocity field in microchannels of rectangular cross-section. In
addition we also addressed the phenomenon of film dewetting, which plays an important role
concerning pressure drop and mass-transfer in Taylor flow. In the second part we focused on the
prediction of gas-liquid mass transfer in Taylor flow. Measurements of the volumetric liquid side mass
transfer coefficient (k a-value) were conducted and the related two-phase flow was recorded. The L
measured bubble velocities, bubble lengths and slug lengths, as well as the findings previously
obtained from the characterization of the velocity field were used to set-up a modified model for the
prediction of k a-values in μ-channels of rectangular cross-section. Describing the interaction of L
channel design hydrodynamics and mass transfer our work thus provides an important contribution
towards the control of the operation of fast, highly exothermic and mass transfer limited gas-liquid
reactions in microchannels. In addition it enabled us to identify gaps of knowledge, whose
investigation should be items of further research.




i Résumé

Cette étude est dédiée à l’amélioration du design des microréacteurs gaz-liquide. Le terme de
microréacteur correspond à des appareils composés de canaux dont les dimensions sont de l’ordre de
quelques dizaines à quelques centaines de microns. Grâce à la valeur importante du ratio
surface/volume, ces appareils constituent une issue prometteuse pour contrôler les réactions rapides
fortement exothermiques, souvent rencontrées en chimie fine et pharmaceutique. Dans le cas des
systèmes gaz-liquide, on peut citer par exemple les réactions de fluoration, d’hydrogénation ou
d’oxydation. Comparés à des appareils conventionnels, les microréacteurs permettent de supprimer le
risque d’apparition de points chauds, et d’envisager le fonctionnement dans des conditions plus
critiques, par exemple avec des concentrations de réactifs plus élevées. En même temps, la sélectivité
peut être augmentée et les coûts opératoires diminués. Ainsi, les technologies de microréacteurs
s’inscrivent bien dans les nouveaux challenges auxquels l’industrie chimique est confrontée ; on peut
citer en particulier la réduction de la consommation énergétique et la gestion des stocks de produits
intermédiaires. Les principaux phénomènes qui doivent être étudiés lors de la conception d’un
microréacteur sont le transfert de matière et le transfert thermique. Dans les systèmes diphasiques, ces
transferts sont fortement influencés par la nature des écoulements, et l’hydrodynamique joue donc un
rôle central. Par conséquent, nous avons focalisé notre travail sur l’hydrodynamique de l’écoulement
diphasique dans les microcanaux et sur les couplages constatés avec le transfert de masse. Dans ce
contexte, nous nous sommes dans un premier temps intéressés aux régimes d’écoulement et aux
paramètres contrôlant la transition entre les différents régimes. Au vu des capacités de transfert de
matière et à la flexibilité offerte en terme de conditions opératoires, le régime de Taylor semble le plus
prometteur pour mettre en œuvre des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le
transfert de matière. Ce régime d’écoulement est caractérisé par des bulles allongées entourées par un
film liquide et séparées les unes des autres par une poche liquide. En plus du fait que ce régime est
accessible à partir d’une large gamme de débits gazeux et liquide, l’aire interfaciale développée est
assez élevée, et les mouvements de recirculation du liquide induits au sein de chaque poche sont
supposés améliorer le transport des molécules entre la zone interfaciale et le liquide. A partir d’une
étude de l’hydrodynamique locale d’un écoulement de Taylor, il s’est avéré que la perte de charge et le
transfert de matière sont contrôlés par la vitesse des bulles, et la longueur des bulles et des poches.
Dans l’étape suivante, nous avons étudié l’influence des paramètres de fonctionnement sur ces
caractéristiques de l’écoulement. Une première phase de notre travail expérimental a porté sur la
formation des bulles et des poches et la mesure des champs de vitesse de la phase liquide dans des
microcanaux de section rectangulaire. Nous avons également pris en compte le phénomène de
démouillage, qui joue un rôle important au niveau de la perte de charge et du transfert de matière. Des
mesures du coefficient de transfert de matière (k a) ont été réalisées tandis que l’écoulement associé L
était enregistré. Les vitesses de bulles, longueurs de bulles et de poches, ainsi que les caractéristiques
issues de l