Local investigations of gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles flowing in straight and meandering millimetric channels using a colorimetric method

par Lixia Yang

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Soutenue le 24-03-2017

à Toulouse, INSA , dans le cadre de Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés , en partenariat avec Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (laboratoire) , Laboratoire de Génie Chimique (laboratoire) , Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP (laboratoire) et de Laboratoire Génie Chimique / LGC (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Gonthier.

Le jury était composé de Gilles Hebrard, Nicolas Dietrich, Christophe Gourdon, Karine Loubière, Jean-Marc Commenge.

Les rapporteurs étaient Philipp Rudolf Von Rohr, Katharina Zahringer.

  • Titre traduit

    Etudes locales par colorimétrie du transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor en écoulement dans des canaux millimétriques droits et ondulés


  • Résumé

    Les réacteurs-échangeurs à plaques (HEX) sont une technologie clé en intensification des procédés. Cependant, la plupart des recherches existantes portant sur ce type d'équipement ont été réalisées dans le cas d’écoulements monophasiques. Pour les réactions gaz-liquide, peu d'études ont été conduites. Cette thèse a pour objectif d’étudier localement le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor en écoulement dans des canaux millimétriques droits et ondulés par une méthode dite colorimétrique. Ceci constitue une étape préliminaire indispensable avant la mise en œuvre de systèmes réactifs diphasiques. Il a d’abord déterminé si une possible accélération du transfert de matière gaz-liquide pouvait avoir lieu en présence de la réaction chimique utilisée. La deuxième phase de ce travail s’est focalisée sur l'étape de formation des bulles de Taylor dans un microréacteur. Ensuite, l'hydrodynamique gaz-liquide a été caractérisée et les effets des coudes sur le mécanisme de transfert de masse ont été étudiés localement dans un canal carré millimétrique ondulé. Enfin, une comparaison rigoureuse a pu être effectuée entre les différentes géométries de canaux (ondulé et droit). Elle a permis de montrer comment et pourquoi une géométrie ondulé permet d’intensifier le transfert de masse gaz-liquide (notamment en terme d’efficacité de transfert). L’ensemble de ces résultats ont conduit à la formulation une loi d'échelle, exprimée en termes de nombres de Sherwood, de Graetz et de Péclet, capable de décrire l'évolution du transfert de matière gaz-liquide en fonction de la position axiale dans le canal et des conditions opératoires mises en œuvre.


  • Résumé

    Compact Heat-EXchanger reactors (HEX) are an important part of process intensification technology. However, most of the existed research dealing with such type of equipment has been focused on the application of one-phase reactive flows. For gas-liquid reactions, few investigations have been out carried. This thesis aims at locally studying gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles flowing in straight and meandering millimetric channels using a colorimetric method; this is a preliminary step essential before implementing two-phase reactive systems. Firstly, the occurrence of a possible enhancement of the gas-liquid mass transfer by the chemical reaction involved was investigated. Secondly, the gas-liquid mass transfer occurring in Taylor flows right after the bubble formation stage in a microreactor was studied. Thirdly, the gas-liquid hydrodynamics were characterized and the effects of bends on the mass transfer mechanism were locally investigated in a millimetric meandering channel. At last, a rigorous comparison could be made between the meandering and straight channels. It showed how and why the meandering geometry leads to intensify gas-liquid mass transfer. All these findings enabled to formulate a scaling law, expressed in terms of Sherwood, Graetz and Péclet numbers, able to describe the evolution of gas-liquid mass transfer as a function of axial position and operating conditions.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par INSA Toulouse [diffusion/distribution] à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Local investigations of gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles flowing in straight and meandering millimetric channels using a colorimetric method
  • Détails : 1 vol. (xxv-172 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 153-163
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