[pt] O estudo do escoamento intermitente de gás e líquido é de enorme relevância. Devido a sua vasta ocorrência em diversos problemas industriais, como na indústria do petróleo, em escoamentos de água e vapor em trocadores de calor e em sistemas de refrigeração de usinas nucleares, diversos estudos experimentais e numéricos buscam obter um conhecimento mais profundo deste complexo fenômeno. Devido a esta complexidade, se fazem necessários experimentos detalhados de maneira a dar suporte aos modelos matemáticos desenvolvidos. O presente trabalho descreve um estudo experimental de um escoamento turbulento gás-líquido no regime intermitente para tubo horizontal. As técnicas de velocimetria por imagem de partícula estereoscópica de alta frequência (SPIV ) e fluorescência induzida por laser (LIF) foram usadas para medir todos os três componentes do vetor de velocidade em diferentes seções do tubo, referenciadas pelo nariz da bolha de gás. A seção de testes consistiu de uma tubulação de acrílico com diâmetro interno de 40mm e 17,7m de comprimento. Os fluidos de trabalho utilizados foram água e ar, com velocidades superficiais de jL igual 0,3 0,4 e 0,5m/s e jG igual 0,5m/s que formaram o padrão de escoamento intermitente. Um sistema de sensores fotossensíveis foi utilizado para medir a velocidade de translação da bolha de gás, além de acionar o sistema SPIV. Desta forma, foi possível determinar os campos médios das três componentes de velocidade da fase líquida do escoamento turbulento gás-líquido em regiões de interesse na vizinhança da bolha alongada. Os dados obtidos revelaram a influência das bolhas de gás de maior velocidade, na dinâmica do campo de velocidade do líquido. Tais dados contém informações valiosas que contribuem não apenas para uma melhor compreensão da física que rege o escoamento, mas também como forma de validação e aprimoramento de modelos numéricos. / [en] The analysis of gas-liquid intermittent flow in horizontal pipes is of great relevance importance due its applications in many industrial problems, such as in the petroleum industry, boiler and heat exchanger tubes and cooling systems of nuclear power plants. A considerable number of experimental and analytical studies have been carried out on the pursuit of a deeper knowledge of this complex phenomenon. The present work describes an experimental study of a horizontal, gas-liquid pipe flow in the intermittent regime. Experimental techniques such as high frequency stereoscopic particle image velocimetry (SPIV ) and laser induced fluorescence (LIF), were applied in order to obtain all three components of the velocity vector at different pipe sections, referred to the gas bubble nose tip. A 40mm inner diameter, 17.7m long acrylic pipe was used as test section (L/D approximately 450). The working fluids, water and air formed the intermittent flow pattern, with superficial velocities of jL equal 0.3, 0.4 and 0.5 m/s and jG equal 0.5 m/s. A set of three photogate sensors, equally-spaced along the pipe, were used to measure the bubble translational velocities, and to trigger the SPIV system, allowing for the determination of ensemble-averaged, threecomponent velocity fields of the turbulent liquid flow in cross-stream planes around the gas bubble. The original data obtained revealed the influence of the faster-moving gas bubbles on the dynamics of the liquid velocity field, providing valuable information that contribute to a better understanding of the physics governing the flow, also serving for the validation of numerical simulations.

Due to the ever increasing concerns about pollutants and contaminants found in water, new treatment technologies have been developed. Ozonation is one of such technologies. It has been widely applied in the treatment of pollutants in water and wastewater treatment processes. Ozone has many applications such as oxidation of organic components, mineral matter, inactivation of viruses, cysts, bacteria, removal of trace pollutants like pesticides and solvents, and removal of tastes and odours. Ozone is the strongest conventional oxidant that can result in complete mineralisation of the organic pollutants to carbon dioxide and water. Because ozone is unstable, it is generally produced onsite in gas mixtures and is immediately introduced to water using gas/liquid type reactors (e.g. bubble columns). The ozone reactions are hence of the type gas liquid reactions, which are complex to model since they involve both chemical reactions, which occur in the liquid phase, and mass transfer from the gas to the liquid phase. This study focuses on two aspects: mass transfer and chemical reactions in multicomponent systems. The mass transfer parameters were determined by experiments under different conditions and the chemical reactions were studied using single component and multicomponent systems. Two models obtained from the literature were adapted to the systems used in this study. Mass transfer parameters in the semi-batch reactor were determined using oxygen and ozone at different flow rates in the presence and absence of t-butanol. t-Butanol is used as a radical scavenger in ozonation studies and it has been found to affect the gas¿liquid mass transfer rates. An experimental study was carried out to investigate the effects of t-butanol concentrations on the physical properties of aqueous solutions, including surface tension and viscosity. It was found that t-butanol reduced both properties by 4% for surface tension and by a surprising 30% for viscosity. These reductions in the solution physical properties were correlated to enhancement in the mass transfer coefficient, kL. The mass transfer coefficient increased by about 60% for oxygen and by almost 50% for ozone. The hydrodynamic behaviour of the system used in this work was characterised by a homogeneous bubbling regime. It was also found that the gas holdup was significantly enhanced by the addition of t-butanol. Moreover, the addition of t-butanol was found to significantly reduce the size of gas bubbles, leading to enhancement in the volumetric mass transfer coefficient, kLa. The multicomponent ozonation was studied with two systems, slow reactions when alcohols were used and fast reactions when endocrine disrupting compounds were used. ii These experiments were simulated by mathematical models. The alcohols were selected depending on their volatilization at different initial concentrations and different gas flow rates. The degradation of n-propanol as a single compound was studied at the lowest flow rate of 200 mL/min. It was found that the degradation of n-propanol reached almost 60% within 4 hours. The degradation of the mixture was enhanced with an increase in the number of components in the mixture. It was found that the degradation of the mixture as three compounds reached almost 80% within four hours while the mixture as two compounds reached almost 70%. The effect of pH was studied and it was found that an increase in pH showed slight increase in the reaction. Fast reactions were also investigated by reacting endocrine disrupting chemicals with ozone. The ozone reactions with the endocrine disrupters were studied at different gas flow rates, initial concentrations, ozone concentrations and pH. The degradation of 17¿-estradiol (E2) as a single compound was the fastest, reaching about 90% removal in almost 5 minutes. However estrone (E1) degradation was the lowest reaching about 70% removal at the same time. The degradation of mixtures of the endocrine disruptors was found to proceed to lower percentages than individual components under the same conditions. During the multicomponent ozonation of the endocrine disruptors, it was found that 17¿-estradiol (E2) converted to estrone (E1) at the beginning of the reaction. A MATLAB code was developed to predict the ozone water reactions for single component and multicomponent systems. Two models were used to simulate the experimental results for single component and multicomponent systems. In the case of single component system, good simulation of both reactions (slow and fast) by model 1 was obtained. However, model 2 gave good agreement with experimental results only in the case of fast reactions. In addition, model 1 was applied for multicomponent reactions (both cases of slow and fast reaction). In the multicomponent reactions by model 1, good agreement with the experimental results was also obtained for both cases of slow and fast reactions. / Ministry of Higher Education in Libya and the Libyan Cultural Centre and Educational Bureau in London.

Cette étude est dédiée à l'amélioration du design des microréacteurs gaz-liquide. Le terme de microréacteur correspond à des appareils composés de canaux dont les dimensions sont de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de microns. Grâce à la valeur importante du ratio surface/volume, ces appareils constituent une issue prometteuse pour contrôler les réactions rapides fortement exothermiques, souvent rencontrées en chimie fine et pharmaceutique. Dans le cas des systèmes gaz-liquide, on peut citer par exemple les réactions de fluoration, d’hydrogénation ou d’oxydation. Comparés à des appareils conventionnels, les microréacteurs permettent de supprimer le risque d’apparition de points chauds, et d’envisager le fonctionnement dans des conditions plus critiques, par exemple avec des concentrations de réactifs plus élevées. En même temps, la sélectivité peut être augmentée et les coûts opératoires diminués. Ainsi, les technologies de microréacteurs s’inscrivent bien dans les nouveaux challenges auxquels l'industrie chimique est confrontée ; on peut citer en particulier la réduction de la consommation énergétique et la gestion des stocks de produits intermédiaires. Les principaux phénomènes qui doivent être étudiés lors de la conception d’un microréacteur sont le transfert de matière et le transfert thermique. Dans les systèmes diphasiques, ces transferts sont fortement influencés par la nature des écoulements, et l'hydrodynamique joue donc un rôle central. Par conséquent, nous avons focalisé notre travail sur l’hydrodynamique de l’écoulement diphasique dans les microcanaux et sur les couplages constatés avec le transfert de masse. Dans ce contexte, nous nous sommes dans un premier temps intéressés aux régimes d’écoulement et aux paramètres contrôlant la transition entre les différents régimes. Au vu des capacités de transfert de matière et à la flexibilité offerte en terme de conditions opératoires, le régime de Taylor semble le plus prometteur pour mettre en œuvre des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le transfert de matière. Ce régime d'écoulement est caractérisé par des bulles allongées entourées par un film liquide et séparées les unes des autres par une poche liquide. En plus du fait que ce régime est accessible à partir d’une large gamme de débits gazeux et liquide, l'aire interfaciale développée est assez élevée, et les mouvements de recirculation du liquide induits au sein de chaque poche sont supposés améliorer le transport des molécules entre la zone interfaciale et le liquide. A partir d'une étude de l’hydrodynamique locale d’un écoulement de Taylor, il s’est avéré que la perte de charge et le transfert de matière sont contrôlés par la vitesse des bulles, et la longueur des bulles et des poches. Dans l’étape suivante, nous avons étudié l'influence des paramètres de fonctionnement sur ces caractéristiques de l’écoulement. Une première phase de notre travail expérimental a porté sur la formation des bulles et des poches et la mesure des champs de vitesse de la phase liquide dans des microcanaux de section rectangulaire. Nous avons également pris en compte le phénomène de démouillage, qui joue un rôle important au niveau de la perte de charge et du transfert de matière. Des mesures du coefficient de transfert de matière (kLa) ont été réalisées tandis que l'écoulement associé était enregistré. Les vitesses de bulles, longueurs de bulles et de poches, ainsi que les caractéristiques issues de l’exploitation des champs de vitesse précédemment obtenus, ont été utilisées afin de proposer un modèle modifié pour la prédiction du kLa dans des microcanaux de section rectangulaire. En mettant en évidence l'influence du design du microcanal sur l’hydrodynamique et le transfert de matière, notre travail apporte une contribution importante dans le contrôle en microréacteur des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le transfert de matière. De plus, ce travail a permis d'identifier certaines lacunes en termes de connaissance, ce qui devrait pouvoir constituer l'objet de futures recherches. / The present project deals with the improvement of the design of gas-liquid microreactors. The term microreactor characterizes devices composed of channels that have dimensions in the several tens to several hundreds of microns. Due to their increased surface to volume ratios these devices are a promising way to control fast and highly exothermic reactions, often employed in the production of fine chemicals and pharmaceutical compounds. In the case of gas-liquid systems, these are for example direct fluorination, hydrogenation or oxidation reactions. Compared to conventional equipment microreactors offer the possibility to suppress hot spots and to operate hazardous reaction systems at increased reactant concentrations. Thereby selectivity may be increased and operating costs decreased. In this manner microreaction technology well fits in the challenges the chemical industry is continuously confronted to, which are amongst others the reduction of energy consumption and better feedstock utilization. The main topics which have to be considered with respect to the design of gasliquid μ-reactors are heat and mass transfer. In two phase systems both are strongly influenced by the nature of the flow and thus hydrodynamics play a central role. Consequently we focused our work on the hydrodynamics of the two-phase flow in microchannels and the description of the inter-linkage to gas-liquid mass transfer. In this context we were initially concerned with the topic of gas-liquid flow regimes and the main parameters prescribing flow pattern transitions. From a comparison of flow patterns with respect to their mass transfer capacity, as well as the flexibility offered with respect to operating conditions, the Taylor flow pattern appears to be the most promising flow characteristic for performing fast, highly exothermic and mass transfer limited reactions. This flow pattern is characterized by elongated bubbles surrounded by a liquid film and separated from each other by liquid slugs. In addition to the fact that this flow regime is accessible within a large range of gas and liquid flow rates, and has a relatively high specific interfacial area, Taylor flow features a recirculation motion within the liquid slugs, which is generally assumed to increase molecular transport between the gas-liquid interface and the bulk of the liquid phase. From a closer look on the local hydrodynamics of Taylor flow, including the fundamentals of bubble transport and the description of the recirculation flow within the liquid phase, it turned out that two-phase pressure drop and gas-liquid mass transfer are governed by the bubble velocity, bubble lengths and slug lengths. In the following step we have dealt with the prediction of these key hydrodynamic parameters. In this connection the first part of our experimental study was concerned with the investigation of the formation of bubbles and slugs and the characterization of the liquid phase velocity field in microchannels of rectangular cross-section. In addition we also addressed the phenomenon of film dewetting, which plays an important rôle concerning pressure drop and mass-transfer in Taylor flow. In the second part we focused on the prediction of gas-liquid mass transfer in Taylor flow. Measurements of the volumetric liquid side mass transfer coefficient (kLa-value) were conducted and the related two-phase flow was recorded. The measured bubble velocities, bubble lengths and slug lengths, as well as the findings previously obtained from the characterization of the velocity field were used to set-up a modified model for the prediction of kLa-values in μ-channels of rectangular cross-section. Describing the interaction of channel design hydrodynamics and mass transfer our work thus provides an important contribution towards the control of the operation of fast, highly exothermic and mass transfer limited gas-liquid reactions in microchannels. In addition it enabled us to identify gaps of knowledge, whose investigation should be items of further research.

Parmi les différents outils de laboratoire, les réacteurs agités triphasiques à panier catalytique sont souvent utilisés pour l'acquisition de données cinétiques avec des catalyseurs mis en forme. Malgré sa large utilisation, très peu d'auteurs se sont intéressés à la caractérisation de l'hydrodynamique et des transferts de matière de ces outils. Or, dans les cas de réactions rapides, des limitations hydrodynamiques et/ou au transfert peuvent conduire à des difficultés à discriminer les catalyseurs ou à obtenir des paramètres cinétiques. L'objectif de cette étude était de connaître le domaine d'applicabilité de ces outils et présenter des pistes d'optimisation. Une méthodologie de caractérisation qui couple une étude hydrodynamique et une étude de transfert de matière a été mise en place. L'étude hydrodynamique a permis d'établir une cartographie des régimes d'écoulement gaz/liquide selon les conditions opératoires et les configurations géométriques. Cette étude a permis d'expliquer les résultats obtenus au niveau du transfert de matière, notamment, l'influence de la présence du panier et des bulles de gaz. Dans la configuration actuelle, cet outil semble être limité par le transfert liquide/solide. Ainsi, avec ce système, des études cinétiques pour des réactions avec une constante cinétique cin k pouvant aller jusqu'à 0,02 s-1 pourront être réalisées. Au-delà, l'outil sera inadapté. Pour améliorer cet outil de test, il faut optimiser le réacteur en modifiant le design du panier et de la turbine, et le diamètre de la cuve de manière à maximiser la vitesse radiale à travers du milieu poreux. Il faut aussi éviter la présence d'un régime de contournement du panier par le liquide / Stationary catalytic basket stirred reactors are often used among the various three-phase laboratory reactors for primary screening of commercial shaped catalysts. Until today, hydrodynamics and mass transfer studies concerning the impact of the presence of the basket in the flow are scarce which can be an obstacle to catalyst screening mainly in the case of fast reactions. The aim of this study is to know the range of applicability of these devices and optimize them if necessary. A characterization methodology that couples hydrodynamics and mass transfer was developed. The hydrodynamic studies allowed establishing a flow regime map of the gas/liquid flow for different reactor designs and operational conditions. This study has allowed as well understanding the influence of the basket and gas bubbles on gas/liquid and solid/liquid mass transfer. For the studied reactor, the liquid/solid mass transfer is the limiting phenomena. This system can however be used for catalyst screening for reaction rate constants smaller than 0.02 s-1. For faster reactions, these devices must be improved by changing the design of basket and impeller and the tank diameter. The optimized configuration should improve de radial flow through the porous medium and avoid the flow bypassing around the basket

L’extrapolation des réacteurs catalytiques nécessite l’acquisition des données cinétiques sur des réacteurs à petite échelle dans les conditions opératoires industrielles. Le critère de dimensionnement utilisé lors de la réduction d’échelle est la conservation de la vitesse volumique horaire, ce qui conduit à des vitesses de circulation très faibles dans les réacteurs pilotes à lit-fixe. A ces vitesses, les flux de transfert de matière externes peuvent devenir limitant par rapport au flux de réaction. Dans ce contexte, une nouvelle géométrie de réacteur a été imaginée pour intensifier les transferts de matière et chaleur et pour augmenter les vitesses de circulation des fluides : le réacteur "filaire". Il s’agit d’un réacteur dont le diamètre est égal ou proche de celui des grains de catalyseur et avec un ratio longueur sur diamètre très élevé. Le principal objectif de cette thèse est de caractériser ce réacteur en termes d’hydrodynamique et de transferts de matière externes pour définir ses limites d’utilisation. En écoulement diphasique, ce réacteur est relativement piston et la rétention liquide est élevée, ce qui permet d'assurer un mouillage total du catalyseur. En ce qui concerne les vitesses des transferts de matière externe, celles-ci sont proches de celles d'un réacteur agité avec panier et sont supérieures à celles caractéristiques d'un réacteur pilote à lit-fixe conventionnel. Cette observation est liée à l’augmentation des vitesses locales du liquide et à la présence d'un écoulement du type Taylor modifié. En conclusion, le réacteur "filaire" constitue une alternative efficace aux réacteurs pilotes à lit-fixe pour l’étude de catalyseurs mis en forme. / Small size fixed-bed reactors are a common choice for testing industrial supported catalyst under industrial operating conditions. The most common criterion for reactor’s scale-down is based on the conservation of the liquid hourly space velocity which leads to a very low fluid flow velocity at the laboratory scale. Under these conditions, the external mass transfer flux can become the limiting step of the process. In this context, a new reactor geometry was proposed to intensify mass and heat transfers and to increase fluid flow velocities: the single pellet string reactor. This reactor is composed of a tube with an internal diameter close to that of the catalyst particles and with a high length over diameter ratio. The main goal of this thesis is to characterise the hydrodynamic and external mass transfer performances of this new reactor in order to define its application domain. In two-phase gas-liquid flow, the reactor flow is plug flow and the liquid hold-up values are high, which insures a complete wetting of the catalyst particles. The mass transfer coefficients were quantified and the measured rates are much higher than those observed in conventional pilot fixed-bed reactors, which can be explained by the increased local liquid velocities and by the modified Taylor flow regime. Catalytic tests with a very fast model reaction revealed that the external mass transfer performances of the single pellet string reactor are close to those measured in a stirred tank reactor equipped with a catalytic basket. In conclusion, the single pellet string reactor represents a new and efficient alternative to fixed-bed pilot reactors to study shaped catalysts.

<p>U okviru doktorske disertacije izvedena su eksperimentalna istraživanja osnovnih hidrodinamičkih i maseno-prenosnih karakteristika airlift reaktora sa spoljnom recirkulacijom sa ugrađenom vi&scaron;ekanalnom cevnom membranom u silaznu cev (ALSRM). ALSRM je radio na dva načina rada: bez mehurova u silaznoj cevi (način rada A) i sa mehurovima u silaznoj cevi (način rada B) u zavisnosti od nivoa tečnosti u gasnom separatoru. Ispitivani su uticaji prividne brzine gasa, povr&scaron;inskih osobina tečne faze, tipa distributora gasa i prisustva mehurova gasa u silaznoj cevi na sadržaj gasa, brzinu tečnosti u silaznoj cevi i zapreminski koeficijent prenosa mase u tečnoj fazi u ALSRM. Rezultati su poređeni sa vrednostima dobijenim u istom reaktoru ali bez membrane (ALSR). Sadržaj gasa u uzlaznoj i silaznoj cevi određivan je pomoću piezometarskih cevi merenjem hidrostatičkog pritiska na dnu i vrhu uzlazne i silazne cevi. Brzina tečnosti merena je pomoću konduktometrijskih elektroda dok je zapreminski koeficijent prenosa mase dobijen primenom dinamičke metode merenjem promene koncentracije kiseonika u vremenu optičkom elektrodom. Eksperimentalni rezultati pokazuju da sadržaj gasa, brzina tečnosti i zapreminski koeficijent prenosa mase zavise od prividne brzine gasa, vrste alkohola i tipa distributora gasa kod oba reaktora. Vi&scaron;ekanalna cevna membrana u silaznoj cevi uzrokovala je povećanje ukupnog koeficijenta trenja za 90% i time dovela do smanjenja brzine tečnosti u silaznoj cevi do 50%. Smanjena brzina tečnosti u silaznoj cevi povećala je sadržaj gasa do 16%. Predložene neuronske mreže i empirijske korelacije odlično predviđaju vrednosti za sadržaj gasa, brzinu tečnosti i zapreminski koeficijent prenosa mase.</p> / <p>An objective of this study was to investigate the hydrodynamics and the gas-liquid mass transfer coefficient of an external-loop airlift membrane reactor (ELAMR). The ELAMR was operated in two modes: without (mode A), and with bubbles in the downcomer (mode B), depending on the liquid level in the gas separator. The influence of superficial gas velocity, gas distributor&rsquo;s geometry and various diluted alcohol solutions on hydrodynamics and gas-liquid mass transfer coefficient of the ELAMR was studied. Results are commented with respect to the external loop airlift reactor of the same geometry but without membrane in the downcomer (ELAR). The gas holdup values in the riser and the downcomer were obtained by measuring the pressures at the bottom and the top of the riser and downcomer using piezometric tubes. The liquid velocity in the downcomer was determined by the tracer response method by two conductivity probes in the downcomer. The volumetric mass transfer coefficient was obtained by using the dynamic oxygenation method by dissolved oxygen probe. According to experimental results gas holdup, liquid velocity and gas-liquid mass transfer coefficient depend on superficial gas velocity, type of alcohol solution and gas distributor for both reactors. Due to the presence of the multichannel membrane in the downcomer, the overall hydrodynamic resistance increased up to 90%, the liquid velocity in the downcomer decreased up to 50%, while the gas holdup in the riser of the ELAMR increased maximally by 16%. The values of the gas holdup, the liquid velocity and the gas-liquid mass transfer coefficient predicted by the application of empirical power law correlations and feed forward back propagation neural network (ANN) are in very good agreement with experimental values.</p>

L'absorption du CO2 à l'ammoniaque au sein d'une colonne garnie est une technologie prometteuse pour capter le CO2 en postcombustion. La fuite d'NH3 engendrée par la volatilité de ce solvant gêne néanmoins le déploiement de ce procédé. Dans cette étude, la faculté des contacteurs membranaires à permettre des performances d'absorption du CO2 intensifiées et des pertes en NH3 réduites par rapport au procédé conventionnel est évaluée. Pour cela, l'emploi de fibres composites innovantes constituées d'une peau dense assurant un transport sélectif du CO2 vis-à-vis de NH3 a été proposé. Compte tenu des propriétés de ces molécules, aucun matériau ne présentait jusqu'alors de sélectivité de séparation favorable au CO2. Des essais de temps-retards ont permis de révéler 6 matériaux fluorés présentant les propriétés de sélectivités inverses recherchées. Le Teflon AF2400, polymère hautement perméable au CO2, a été choisi pour constituer les fibres creuses composites employées lors d'expériences d'absorption. Leurs performances ont été comparées à celles de contacteurs commerciaux microporeux (Oxyphan) et composites (Oxyplus) pour différentes conditions opératoires. Alors qu'aucune expérience stable n'a pu être achevée avec les contacteurs microporeux du fait de la précipitation de sels d'ammonium, les contacteurs composites ont permis des performances de capture supérieures aux objectifs fixés. La modélisation 2D du transfert de matière a permis de révéler le rôle prépondérant du support microporeux dans les performances d'absorption observées. Enfin, une intensification élevée des performances d'absorption du CO2 et des pertes en NH3 fortement réduites par rapport au procédé conventionnel ont pu être démontrées / Aqueous ammonia as a solvent for post-combustion CO2 capture in a packed column is seen as a promising technology. Nevertheless, ammonia volatility is a considerable drawback for its large scale deployment. In this study, the ability of hollow fiber membrane contactors to significantly improve CO2 mass transfer performances while mitigating ammonia losses when compared to packed column is evaluated. In that purpose, the use of innovating composite fibers made of a thin dense layer selective for CO2 over NH3 is proposed. Up to now, a faster permeation of CO2 compared to NH3 in dense polymers was totally unexpected and to our knowledge unexplored. Time-lag experiments have revealed a series of 6 fluorinated structures showing the desired reverse selectivity properties. Teflon AF2400 has been selected as the dense skin of composite fibers used during absorption experiments. Their performances have been compared, for different operating conditions, to those given by commercial microporous (Oxyphan) and composite (Oxyplus) membrane contactors. Due to ammonium salt precipitation issues, no stable experiment has been achieved using microporous membrane contactors. At the opposite, absorption efficiencies higher than post-combustion capture standards have been reached using composite membrane contactors. 2D mass transfer modeling has revealed the controlling role of the microporous support in the observed absorption performances. Finally, high CO2 mass transfer intensification factor and drastically reduced ammonia losses have been shown

Les colonnes à bulles sont utilisées en minéralurgie et en traitement des eaux pour capturer différents types de particules. Leur capacité d’échange bénéficie aujourd’hui d’un regain d’intérêt pour assurer la production de micro-algues destinées à un usage médicinal, alimentaire, ou énergétique : les concentrations d’oxygène et de dioxyde de carbone peuvent être contrôlées grâce à la considérable aire interfaciale gaz-liquide dans la colonne à bulles. Une étude expérimentale en boucle fermée a été menée pour simuler le passage du gaz dans une succession de colonnes en série. Le modèle théorique associé confirme le rôle critique du diamètre des bulles lors du transfert de masse. Un générateur de micro-bulles (MBG) innovant a été conçu et testé. Le prototype est capable de produire des micro-bulles d’un diamètre moyen Dbubble = 0.252 mm. L’invention a été officiellement déclarée. Le dernier chapitre a pour objet l’amélioration des méthodes de traitement de Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF), qui permettent d’obtenir les coefficients de transfert de masse kl. La première correction présentée prend en compte les variations de l’extinction de la fluorescence due au pH pendant la calibration et a été évaluée sur une mesure de concentration de CO2 dans le sillage d’une bulle en ascension libre dans une colonne d’eau. La seconde correction proposée doit être appliquée quand la distance de la région de mesure où les variations de pH sont observées augmente. La nécessité de cette correction a été illustrée par un cas test dans le sillage d’un nuage de bulles en ascension libre dans une colonne d’eau / Bubble column are involved in many industrial fields ranging from chemical industry to mineral processing. It recently became an industrial stake for the production of micro-algae intended for medicinal use, food or energy: the oxygen and carbon dioxide concentrations can be controlled via the efficient mass transfer induced by the significant gas-liquid interfaciale area into the bubble column. Firstly, experimental closed-loop study has been carried out to simulate the passage of gas in a succession of columns in series. The associated theoretical model confirms the critical importance of the bubble diameter for mass transfer.Therefore, an innovative Micro-Bubble Generator (MBG) has been designed and tested. The prototype is able to produce micro-bubbles of average diameter Dbubble = 0.252 mm. The invention has been officially declared. The last chapter aims at improving data treatment methods for Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF), which enables to obtain experimentally mass transfer coefficient kl through concentration measurements. The first presented correction takes into account variations of the fluorescence extinction due to pH during the calibration step, and has been evaluated on CO2 concentration measurement in the wake of a free rising bubble. The second proposed correction should be applied when the length in the measurement region over which pH variations are observed increases: variations of the extinction coefficient will affect the local incident light intensity and therefore the measurements. The need for this correction has been illustrated on a test case in the wake of a cloud of free rising bubbles

L’étude du transfert de masse turbulent aux interfaces gaz-liquide est d’un grand intérêt dans de nombreuses applications environnementales et industrielles. Bien que ce problème soit étudié depuis de nombreuses années, sa compréhension n’est pas encore suffisante pour la création de modèles de transfert de masse réalistes (de type RANS ou LES sous maille), en particulier en présence d’une phase liquide à rhéologie complexe. Ce travail expérimental a pour but l’étude des aspects fondamentaux du transfert de masse turbulent à une interface plane horizontale entre du dioxyde de carbone gazeux et une phase liquide newtonienne ou non, agitée par une turbulence homogène quasi isotrope. Les milieux liquides non newtoniens étudiés sont des solutions aqueuses d’un polymère dilué à des concentrations variables et aux propriétés viscoélastiques et rhéofluidifiantes. Deux méthodes de mesure optiques permettant l’obtention du champ de vitesse de la phase liquide (SPIV) et de concentration du gaz dissout (I-PLIF) sont couplées tout en maintenant une haute résolution spatiale, afin de déduire les statistiques de vitesse et de concentration couplées dans les premiers millimètres sous la surface. Une nouvelle version de I-PLIF est développée pour les mesures en proche surface. Elle peut également s’appliquer dans différentes études de transfert de masse. La turbulence de fond est générée par un dispositif de grille oscillante. Les mécanismes de production et les caractéristiques de la turbulence sont étudiés. L’importance de la composante oscillante de la turbulence est discutée, et un phénomène d’amplification de l’écoulement moyen est mis en évidence. Les mécanismes du transfert de masse turbulent à l’interface sont finalement observés pour l’eau et une solution de polymère dilué à faible concentration. L’analyse conditionnelle des flux de masse turbulent permet de mettre en évidence les évènements contribuant au transfert de masse et de discuter de leur impact relatif sur le transfert total. / The study of turbulence induced mass transfer at the interface between a gas and a liquid is of great interest in many environmental phenomena and industrial processes. Even though this issue has already been studied for several decades, its understanding is still not good enough to create realistic models (RANS or sub-grid LES), especially when considering a liquid phase with a complex rheology. This experimental work aims at studying fundamental aspects of turbulent mass transfer at a flat interface between carbon dioxide and a Newtonian or non-Newtonian liquid, stirred by homogeneous and quasi isotropic turbulence. Non-Newtonian fluids studied are aqueous solutions of a model polymer, Xanthan gum (XG), at various concentrations, showing viscoelastic and shear-thinning properties. Optical techniques for the acquisition of the liquid phase velocity field (Stereoscopic Particle Image Velocimetry, SPIV) and dissolved gas concentration field (Inhibited Planar Laser Induced Fluorescence, I-PLIF) are for the first time coupled, keeping a high spatial resolution, to access velocity and concentration statistics in the first few millimetres under the interface. A new version of I-PLIF is developed. It is designed to be more efficient for near surface measurements, but its use can be generalized to other single or multiphase mass transfer situations. Bottom shear turbulence in the liquid phase is generated by an oscillating grid apparatus. The mechanisms of turbulence production and the characteristics of oscillating grid turbulence (OGT) are studied. The importance of the oscillatory component of turbulence is discussed. A mean flow enhancement effect upon polymer addition is evidenced. The mechanisms of turbulent mass transfer at a flat interface are finally observed in water and low concentration polymer solutions. A conditional analysis of turbulent mass fluxes allows to distinguish the type of events contributing to mass transfer and discuss their respective impact in water and polymer solutions.

La diminution de la qualité des collectes des papiers récupérés ainsi que l’accumulation de substances dissoutes dans les eaux de procédés affecte l’efficacité des lignes de désencrage industrielles et contamine davantage les effluents liquides. Dans ce contexte, le LGP2 a développé depuis quelques années un procédé innovant de désencrage, la flottation réactive à l’ozone, afin de dégrader chimiquement les polluants dissouts en parallèle de l’élimination de l’encre. Afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu, des essais de flottation à l’air et à un mélange ozone/oxygène, sur trois contaminants modèles, sélectionnés après une étude bibliographique préalable, ont été réalisés dans un milieu diphasique gaz/liquide, en l’absence de fibres cellulosiques. Les expérimentations ont été conduites sur deux pilotes de laboratoire instrumentés : une colonne à bulles fonctionnant avec de l’air uniquement, pour l’étude du comportement hydrodynamique (taille et distribution de bulles, rétention gazeuse) en présence des contaminants dissouts, et une deuxième colonne à bulles, similaire mais conçue avec des matériaux résistants aux gaz corrosifs, dédiée à l’étude des réactions d’oxydation en présence d’ozone. L’examen du comportement hydrodynamique montre que les conditions de débit de gaz et d’injection retenues conduisent à des tailles de bulles optimales pour une flottation efficace, que ce soit en présence ou absence de contaminants. Ces conditions obtenues avec de l’air ont été transposées en première approximation au système ozone/oxygène. L’étude du transfert de l’ozone et de sa réactivité avec les trois contaminants modèles, à différentes températures et concentrations en ozone, a conduit à la détermination des constantes cinétiques de réaction et a montré que les contaminants étaient, selon leur nature, oxydés ou dépolymérisés. Bien que la DCO des solutions traitées diminue très peu après la flottation réactive à l’ozone, la qualité des effluents est améliorée sur le plan de leur biodégradabilité. / The decrease of the recovered paper collection quality and the accumulation of dissolved substances in process water affect the deinking line efficiency and contaminate more and more the liquid effluents. In this context the LGP2 has developed an innovative deinking process, the ozone reactive flotation, to chemically degrade dissolved pollutants in parallel with ink removal. To better understand the mechanisms involved, air and ozone/oxygen flotation trials have been conducted on three model contaminants selected in a preliminary bibliographic review, in a two-phase gas/liquid system, in the absence of fibers. Experiments have been carried out on two instrumented laboratory pilots: a bubble column operating only with air for the study of the hydrodynamics of the reactor (bubbles size and distribution, gas hold-up) in the presence of dissolved contaminants, and a second one, similar in its conception but built using materials resistant to corrosive gas, dedicated to the study of the oxidation reactions with ozone. The evaluation of the hydrodynamics related to gas flow and injection system selected, studied with air but supposed to be the same with ozone/oxygen gas mixture, shows that the bubble size, with or without contaminants, is optimal for an efficient flotation process. The study of ozone mass transfer and reactivity with the three model contaminants, for several temperatures and ozone concentrations, leads to the calculation of kinetic constants and shows that the contaminants, depending on their nature, have been oxidized or depolymerized. Although the COD of the treated solutions does not decrease a lot after the ozone reactive flotation, the effluent quality has been improved in terms of biodegradability since contaminants are partially degraded.