Conception et caractérisation d'échangeurs-réacteurs à structuration multi-échelle

Design and characterization of exchanger-reactors with multi-scale structuring

• Auteur / Autrice : Meryem Saber
• Direction : Laurent Falk, Jean-Marc Commenge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 28/09/2009
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du génie chimique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Michael Matlosz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Falk, Michael Matlosz, Katja Haas Santo, Agnès Montillet, Jean-Marc Commenge, Lingai Luo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Katja Haas Santo, Agnès Montillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie chimique -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Réseaux de microcanaux

Perte de charge

Efficacité

Maldistribution

Numbering-up

Microchannel networks

Maldistribution

Pressure drop

Numbering-up

Efficiency

Résumé

La présente thèse s’intéresse à la conception et la caractérisation des procédés microstructurés mettant en œuvre des réseaux de microcanaux de différentes dimensions. L’analyse de tels réseaux multi-échelles, représentatifs d’une parallélisastion de microsystèmes élémentaires, a essentiellement servi à identifier les principaux paramètres géométriques et physiques contrôlant les performances de ces réseaux complexes. On a cherché à quantifier l’influence des paramètres géométriques comme le rapport de résistances hydrodynamiques internes, le nombre de canaux et d’échelles opérant ainsi que leur répartition sur le réseau, sur des critères hydrodynamiques comme la maldistribution du fluide et la perte de charge résistive. Il est révélé qu’en fonction des contraintes imposées, un arrangement optimal des canaux sur un nombre pair d’échelles permet de réduire considérablement la maldistribution interne des flux et les pertes de charge résultantes. L’analyse thermique associée à l’analyse hydrodynamique a montré que les performances thermiques des réseaux sont fortement liées à leurs structurations géométriques internes. En présence de réactions catalytiques consécutives, ces mêmes réseaux enregistrent des déviations du rendement du produit désiré. Ces déviations peuvent être levées par une structuration appropriée du réseau catalytique multi-canal. La même architecture de ces réseaux peut être adaptée pour permettre le déroulement des opérations de mélange et/ou des réactions multi-phasiques. Ainsi, pour ces réseaux complexes, où un nombre élevé de variables imbriquées est considéré, des lignes directrices sont ressorties pour aider à leur conception et dimensionnement

This PhD thesis focuses on the design and the characterization of microstructured processes including microchannel networks of various dimensions. The analysis of such multi-scale networks, representative of elementary microsystems parallelization, is mainly used to identify the main geometrical and physical parameters controlling the network performances. Influence of geometrical parameters, such as the internal hydrodynamic resistances ratio, the number of channels and scales and their arrangement in the network, on hydrodynamic criteria like fluid maldistribution and pressure drop is investigated. It is shown that according to some specific constraints, an optimal arrangement of the channels on an even number of scales, allows to reduce significantly the internal flow maldistribution and the consequential pressure losses. The thermal analysis coupled with the hydrodynamic analysis illustrates that the thermal performances of microchannel networks are strongly affected by their internal geometrical arrangement. Nevertheless, the various mixture points located in the network compensate the fluid maldistribution resulting from a non appropriate geometrical arrangement. When consecutive catalytic reactions are performed inside these networks, deviations of the desired product rate can be recorded. These deviations can be reduced by an optimal catalytic network arrangement. The same architecture of these networks is also adapted to allow multi-phase mixing and /or reactions. Thus, using these complex networks, where several variables are considered, guidelines are derived in order to improve their design and their dimensionless