Conception d'un dispositif microfluidique résistant à la pression pour la caractérisation de l'hydrodynamique de mélanges en conditions proches du domaine supercritique : étude du binaire partiellement miscible CO2-Ethanol

par Alexandre Martin

Doctoral thesis in Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Joëlle Aubin et de Séverine Camy.

Le président du jury était Laurent Prat.

Le jury était composé de Joëlle Aubin, Séverine Camy, Olivier Boutin, Samuel Marre, Jean-Jacques Letourneau, Stéphane Sarrade, David Fletcher.

Les rapporteurs étaient Olivier Boutin, Samuel Marre.


  • Résumé

    L’utilisation d’outils microfluidiques pour la mise en œuvre de procédés sous-pression tels que des réactions chimiques, des synthèses de matériaux nano-structurés, ou en tant qu’outils de détermination de grandeurs physico-chimiques est une thématique de recherche récente. Quelques travaux précédents ont démontré l'intérêt des procédés supercritiques en microcanal pour la chimie organique et la synthèse de nanocristaux. Le développement de ces procédés est concomitant à la mise au point de dispositifs capables de résister à des conditions de pression et température élevées tout en étant compatibles avec l’utilisation de fluides supercritiques. Les avantages de ces fluides pour ce type de procédé sont une faible viscosité et une diffusivité élevée, ce qui offre des conditions de mélange favorables. Cependant, dans le même temps, les propriétés de transport – comme la masse volumique – sont très sensibles aux variations de température et de pression, qui ne peuvent être évités dans ces systèmes où les fluides sont en écoulement. Dans des systèmes diphasiques où le CO2 supercritique (PC = 74 bar) est utilisé en tant que solvant, les transferts thermique et de matière sont fortement influencés par la nature des écoulements. Dans un souci de maîtrise de ces procédés, la compréhension du comportement hydrodynamique, à la fois locale et globale, des fluides supercritiques en microcanal devient fondamentale. Dans cet objectif, un dispositif de microfluidique transparent et résistant à des pressions supérieures à la pression critique du CO2 a été développé. En adaptant une méthodologie propre à la lithographie molle, permettant la fabrication de puces microfluidiques pour des applications à pression atmosphérique, nous sommes parvenus à établir un protocole de fabrication de puces en verre et résine photosensible, viables pour une utilisation à plus de 100 bar en conditions CO2 supercritique. Grâce à ces dispositifs, des expérimentations d’ombroscopie ont pu être réalisées pour observer des écoulements composés de CO2 et d’éthanol dans le microcanal de section carrée de 200 x 200 µm à des pressions comprises entre 40 et 90 bar. Pour identifier et comprendre les phénomènes qui entrent en jeu lors de la création de l’écoulement à haute pression, une approche thermodynamique relative aux équilibres de phase est indispensable. En effet, la connaissance du diagramme de phase permet d’ores et déjà de représenter les zones d’équilibres thermodynamiques (pression, température et composition) pour lesquelles le mélange créé est monophasique liquide ou diphasique liquide-vapeur. L’illustration expérimentale par les séquences d’écoulement obtenues justifie la modélisation thermodynamique du diagramme de phase du binaire d’étude. Le régime d’écoulement de Taylor, obtenu spécifiquement à l’intérieur de la zone d’équilibre diphasique liquide-vapeur, est étudié. Ce régime est caractérisé par des bulles allongées entourées par un film liquide et séparées les unes des autres par une poche liquide. L’évolution des caractéristiques hydrodynamiques de ce régime – longueur de bulle, longueur de slug et vitesse de bulle – est étudiée en fonction des conditions opératoires, des débits et propriétés des fluides. L’objectif étant de repérer les similitudes avec les caractérisations à pression ambiante de la littérature et les particularités résultantes d’une manipulation à haute pression. Ce travail a été à l’origine de plusieurs avancées pour les communautés microfluidique et supercritique. Un nouveau protocole de fabrication à moindre coût de puces microfluidiques compatibles avec l’utilisation de CO2 supercritique et des méthodes de visualisation avancées est présenté. Une modélisation thermodynamique et une étude hydrodynamique expérimentale permettent de construire une carte d’écoulement des régimes biphasiques observés à haute pression ainsi qu’une caractérisation hydrodynamique du régime de Taylor à haute pression en microcanal.

  • Titre traduit

    Development of a high pressure resistant microfluidic device for hydrodynamic caracterisation of mixtures at near critical condition : study of partially miscible CO2- ethanol binary


  • Résumé

    The use of microdevices to run high pressure processes for chemical reaction, nanomaterial synthesis, or as analysis tools for determining physical properties have become of increasing interest in recent years. Several works in the literature have demonstrated the advantages of supercritical microfluidics for organic chemistry and complex nanomaterial synthesis. The development of pressure-resistant microfluidic chips, which also are compatible with the properties of supercritical fluids, is a key step in order to increase knowledge about these processes. Supercritical fluids have low viscosity and high diffusivity, which are advantageous for microprocesses since they facilitate mixing between species. However, the properties of these fluids are also very sensitive with small changes in pressure, temperature and composition. In twophase applications where supercritical CO2 may be used as solvent or reactant, these varying properties can result in very different flow patterns and hydrodynamics with pressure change. Since the hydrodynamics of such systems largely influence heat and mass transfer, the study of flow behavior under supercritical conditions in microchannel is fundamental. In pursuit of this objective, a transparent microdevice, which is suitable for experiments at pressures higher than critical pressure of CO2 (PC = 74 bar), has been developed in this thesis. Using a soft lithography method that is currently used to fabricate microfluidic chips for applications under ambient pressure, a methodology for fabricating a highly resistant chip made from glass and UV-curable polymer was developed. These chips can resist more than 100 bar in supercritical CO2 conditions. The microchips were then used to observe the flow behavior of a CO2-ethanol mixture created in a T junction microchannel (cross section: 200 x 200 µm) for pressures ranging from 40 to 90 bar using high-speed imaging. To identify and interpret phenomena that occur during the flow formation at high pressure, a thermodynamic approach was essential. Depending on the pressure, temperature and composition of the CO2-ethanol mixture, the flow at equilibrium can either be in the single phase liquid domain or in the two-phase liquid vapor domain, according to the phase diagram. Imaging experiments were conducted over the boundaries between the two-phase liquid vapor domain and the single phase liquid and the observed two-phase flow patterns and transitions confirm the predictions of the phase diagram. High-pressure CO2-ethanol Taylor flow, which was obtained in the twophase domain, was then studied. This flow pattern, which is characterized by elongated bubbles surrounded by a liquid film and separated from each other by liquid slugs, is well-known at low pressure and has been widely described in the literature. The objective here was therefore to compare the flow characteristics such as bubble length, slug length and bubble velocity obtained under high pressure operation with the behavior at low pressure. Differences coming from fluid characteristics or operating at high pressure were pointed . This work provides a variety of new results on high pressure microfluidics that will be of interest to both the microfluidics and the supercritical fluids communities. It presents a new protocol to fabricate low cost pressure-resistant microfluidic chips suitable for supercritical CO2 and advanced visualization methods. It also presents new findings obtained with this technology on map flow pattern at high pressure in correlation with thermodynamics approach and characterization of Taylor flow hydrodynamics under high pressure in microchannel.


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