Applications d'un cadre de thermodynamique hors équilibre dérivé de thèmes inspirés de la nature pour la modélisation et la conception de différents processus

Application of a non-equilibrium thermodynamics framework derived from nature-inspired themes for modelling and design of processes

• Auteur / Autrice : Sergio Da Cunha
• Direction : Vincent Gerbaud, Nataliya Shcherbakova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 09/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Bacchin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Gerbaud, Nataliya Shcherbakova, Christophe Goupil, David Rouzineau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc-Olivier Coppens, Kirill Glavatskiy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie constructale

Thermodynamique hors équilibre

Médicaments -- Conception

Mots clés libres

Ingénierie inspirée par la nature

Thermodynamique hors équilibre

Distributeur de liquide

Diffusioosmose

Diffusiophorèse

Principe de maximisation de la production d'entropie

Nature-inspired engineering

Non-equilibrium thermodynamics

Liquid distributor

Diffusioosmosis

Diffusiophoresis

Maximum entropy production principle

Résumé

La Génie Chimique est un sujet riche et passionnant. Que ce soit pour nos vêtements ou nos repas, presque tout autour de nous passe par les mains de l’industrie chimique. Au cours des années, cette discipline a contribué à des découvertes capitales, comme le dessalement de l’eau par osmose inverse. Néanmoins, beaucoup de procédés d’usage étudiés en Génie Chimique peuvent être améliorés. En effet, ces procédés utilisent souvent l’hypothèse d’équilibre thermodynamique, et sont loin d’être efficaces. Mêmes les procédés intensifiés, qui font appel au couplage de phénomènes, n’exploitent pas complètement les synergies hors-équilibre en phase de conception ou de contrôle. Une façon de surmonter ces limitations est de développer des procédés innovants en s’inspirant de la nature. Pour cela, il est indispensable de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux derrière les procédés biomimétiques. Par conséquent, le présent travail étudie comment la thermodynamique hors-équilibre peut aider à combler ce manque de connaissance. Trois des concepts clés dans la littérature pour impulser la conception de procédés inspirés de la nature étant liés à trois notions importantes de la thermodynamique hors-équilibre, l’usage d’une telle approche semble donc justifié. Une analogie est faite entre les réseaux de transport hiérarchique, le contrebalancement des forces, l’auto-organisation dynamique et l’équipartition de la production d’entropie + Loi Constructale, le couplage thermodynamique, les structures de dissipation. Ces notions de thermodynamique hors-équilibre ont motivé trois projets de recherche. Le premier porte sur l’évaluation d’un distributeur de liquide pour une colonne à distiller. Cet interne de colonne consiste en un plateau avec des orifices, et des structures filaires sortant de ces orifices comme les branches d’un arbre. Le liquide s’écoule sur la surface de ces fils, se divisant en plusieurs ruisselets avant de tomber sur le garnissage au-dessous. Le choix d’un tel dessin peut être partiellement justifié par la Loi Constructale, qui encourage l’utilisation de structures en arbre pour distribuer un flux d’un point vers une surface. Des calculs théoriques prévoient que cette technologie peut empêcher la mauvaise répartition du liquide dans les colonnes. En plus, des expériences ont montré que cet interne réduit de 40% la hauteur équivalente à un plateau théorique pour certains garnissages. Cette thèse examine aussi deux phénomènes interfaciaux liés aux couplages thermodynamiques : la diffusioosmose et la diffusiophorèse. Ces deux phénomènes sont étudiés via simulation numérique. D’abord, nous essayons de reproduire le comportement d’une membrane à partir de la diffusioosmose afin de déterminer l’impact de trois paramètres sur l’état d’équilibre d’advection- osmose : la différence de concentration de colloïde, les interactions surface-colloïde, et les interactions colloïde-colloïde. Le phénomène de diffusiophorèse est étudié, lui, à l’aide de deux modèles transitoires et un modèle en régime permanent dans la limite de diffusivité infinie. Cette étude s’intéresse à l’impact du gradient de concentration de soluté, de la diffusivité et des interactions interface-soluté sur la vitesse de diffusiophorèse. Enfin, le dernier projet de recherche conduit au cours de cette thèse met à l’épreuve la validité du principe de Ziegler de Maximisation de la Production d’Entropie, qui est défini comme une généralisation des relations d’Onsager aux systèmes loin de l’équilibre. Cette thématique est aussi liée aux couplages thermodynamiques dans la mesure où ce principe se prête à l’explicitation de lois phénoménologiques dans le cas particulier des phénomènes couplés. Cependant, une révision de la démonstration du principe proposée par Ziegler montre que celle-ci est erronée. De plus, un contre-exemple impliquant deux réactions chimiques éloignées de leur état d’équilibre permet de montrer que le principe lui-même est faux.

Chemical Engineering is a vast and passionate subject. From the clothes we wear to the foods we eat, almost everything surrounding us has passed by the hands of the chemical industry. This discipline has experienced numerous breakthroughs, like water desalination via reverse osmosis. However, many of the typical processes studied by Chemical Engineering have room for improvement. Indeed, these processes are often based on equilibrium hypothesis, far from being efficient. Even intensified processes, which are based on coupled phenomena, do not fully explore non-equilibrium synergies in design/control stages. One solution to overcome these limitations lies in developing innovative and more efficient processes with nature-inspired ideas. This can only be achieved through a better understanding of underlying fundamental mechanisms and dynamics of the biomimetic processes. Hence, the present work explores how non-equilibrium thermodynamic concepts can help fill in this gap of knowledge. Using non-equilibrium thermodynamics is legitimated by the fact that the three key concepts used in the literature to drive the design of nature-inspired processes are linked to some extent to three important concepts of non-equilibrium thermodynamics. Hierarchical transport networks, force balancing and dynamic self-organization are the concepts mentioned from literature, and equipartition of entropy production + Constructal Law, thermodynamic coupling and dissipative structures are their thermodynamic counterparts.These non-equilibrium thermodynamics notions prompted three research projects. The first one is about the assessment of a tree-like liquid distributor for distillation columns. This internal consists of a regular orifice-pan distributor coupled with a wire structure that resembles the branches of a tree. The liquid flows on the outer surface of these wires, splitting into several streamlets before dripping on the packed bed below. Such a design can be partially justified by the Constructal Law, a principle that promotes the use of tree structures to realize point-to-area flow. Theoretical calculations predict that this new technology can help prevent maldistribution in column operations. Further, experiments show that the internal reduces the height equivalent to a theoretical plate of certain packings by 40%. This work also investigates two interface-driven phenomena related to thermodynamic coupling: diffusioosmosis and diffusiophoresis. Both are linked to thermodynamic coupling since they correspond to fluid or particle flow generated by a secondary thermodynamic force (solute concentration gradient). These phenomena are studied here via numerical simulations. First, an attempt is made to replicate membrane behaviour from diffusioosmosis alone. The simulations explored the impact of three parameters on advection-osmosis equilibrium: colloid concentration difference, colloid-interface interactions, and colloid-colloid interactions. Afterwards, diffusiophoresis is investigated using two transient models and one steady-state model, the latter in the limit of infinite diffusivity. This study focuses on the effect of solute concentration, diffusivity, concentration gradient, and solute-interface interactions on the diffusiophoretic velocity. Finally, the last research project conducted for this thesis checks the validity of Ziegler’s Maximum Entropy Production principle, which attempts to generalize Onsager’s reciprocal relations to far-from-equilibrium systems. This topic is also connected to thermodynamic coupling since the Maximum Entropy Production principle attempts to derive the phenomenological relations for coupled phenomena. A careful review of Ziegler’s attempt to prove this principle shows that his demonstration is flawed. Further, a simple counterexample using far-from-equilibrium chemical reactions reveals that the principle itself is incorrect.