Modélisation numérique et simulation de réactions de polymérisation dans des réacteurs à inversion de flux

Numerical modeling and simulation of polymerization reactions in coiled flow inverters

• Auteur / Autrice : Dhiraj Kumar Garg
• Direction : Christophe Alexandre Serra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/03/2014
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Durand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Rémond, Yannick Hoarau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Shiping Zhu, Nida Sheibat-Othman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Réacteurs à inversion de flux

Polymérisation

Mots clés libres

Polymérisation radicalaire

Modélisation

Solution analytique

Simulation

Microréacteur

Inversion de flux

Modèle CCS

Modèle AK

Mécanique des fluides numérique

Free radical polymerization

Modeling

Analytical solution

Simulation

Microreactor

Coil flow inverter

CCS model

AK model

CFD

Résumé

L’objectif de ce travail fut d’améliorer la modélisation et la simulation de la polymérisation radicalaire dans des réacteurs continus et discontinus. Une solution analytique explicite généralisée (AS) fut obtenue dans le cas de la polymérisation en masse/solution, homogène et isotherme menée dans un réacteur fermé de volume variable. Les différentes étapes considérées furent l'initiation, la propagation, le transfert au monomère, au solvant, à un agent de transfert de chaîne, la terminaison par combinaison et dismutation. Différents modèles rendant compte des effets de gel, de vitrification et de cage ont également été considérés. AS a été validée avec succès par comparaison avec des solutions numériques et des données expérimentales de la littérature. Par ailleurs, AS a été étendue à des conditions pour lesquelles elle ne fut pas originellement développée comme par exemple des conditions non isothermes. La polyvalence et la flexibilité de AS sur l’ensemble de l’échelle de conversion du monomère furent ainsi démontrées. Ensuite, pour élargir encore plus son champ d'application, AS fut utilisée dans des simulations numériques (CFD). Une nouvelle transformation très simple a été proposée afin d’adimensionnaliser les constantes cinétiques en terme de concentration. Cela a permis de rentrer dans les simulations les données chimiques sous leur forme originale en mole et de faciliter ainsi le codage et le débogage du code de calcul. Cette transformation a ensuite été utilisée pour évaluer trois géométries tubulaires de microréacteur, un réacteur tubulaire droit (STR), à géométrie hélicoïdale (CTR) et à inversion de flux (CFIR), dans des conditions d'alimentation différentes (fluides d’entrée non ou parfaitement mélangés) et à de très faibles nombres de Reynolds (<1). La modélisation a été réalisée avec des paramètres constants ou variables des propriétés physiques du fluide sous écoulement (densité, viscosité et conductivité thermique) ainsi qu’en variant de manière discrète les coefficients de diffusion. Leurs effets sur les résultats de simulation ont été observés et comparés avec les données expérimentales publiées pour 4 monomères différents et furent en très bon accord. Les résultats pour le cas d’un mélange parfait furent indépendants de la géométrie des microréacteurs. Le CFIR semble être le réacteur le plus prometteur puisque, dans les conditions de microréaction étudiées, il a permis le meilleur contrôle des caractéristiques du polymère synthétisé.

This thesis aimed at improving the modeling and simulation of free radical polymerization (FRP) in batch as well as in flow reactors. A generalized explicit analytical solution (AS) was obtained in case of variable volume, bulk/solution polymerization, homogeneous and isothermal batch reactor. The reaction steps included initiation, propagation, transfer to monomer, transfer to solvent, transfer to chain transfer agent (CTA), termination by combination and disproportionation. Different models of gel, glass and cage effects were also implemented explicitly. AS was validated against numerical solutions as well as published experimental data and was found in good agreement. Furthermore, its applicability was extended to conditions for which AS was not derived, i.e. non-isothermal conditions. The versatility and flexibility of AS over the complete range of monomer conversion were thus demonstrated. Then, to broaden its applications range even more, AS was used in CFD simulations. A new and simple transformation was proposed to make kinetic rate coefficients dimensionless in terms of concentration. This enabled chemical data to be fed in molar form to CFD modeling. It also enabled easy coding and debugging by keeping the original form of generation terms intact. The results were found to be improved after validation against experimental data. This transformation was then used for evaluating three tubula microreactor geometries, namely straight tube reactor (STR), coiled tube reactor (CTR) and coil flow inverter reactor (CFIR), under different feed conditions (unmixed or perfectly mixed) at very low Reynolds numbers (<1). The modeling for FRP was performed with constant or variable fluid physical parameters (density, viscosity and thermal conductivity) along with discrete variation of diffusion coefficients. Their effects on simulation results were observed and compared with published experimental data for 4 different monomers and were found to match perfectly. Results for mixed feed condition were found to be independent of microreactor geometry. CFIR seems to be the most promising reactor design under microreaction investigated conditions as it allowed the best control over polymer characteristics.