Dans le cadre de la recherche de procédés d'absorption gaz-liquide intensifiés, cette étude vise au développement des contacteurs membranaires pour la capture du CO₂ en post combustion, comparativement aux colonnes garnies. Les contacteurs à membranes fibres creuses microporeuses permettent un transfert de matière élevé mais sont confrontés à des problèmes de mouillage entraînant une dégradation importante des performances dans le temps. Notre but est de concevoir des fibres composites constituées d'une structure microporeuse et d'une peau dense fine et fortement perméable au CO₂ afin d'établir une barrière au passage du liquide et de limiter la résistance au transfert de matière. Pour cela, nous avons sélectionné des polymères super vitreux comme le PTMSP et le Téflon AF2400 qui se caractérisent par une très forte perméabilité au CO₂ et une bonne compatibilité chimique avec la MEA (liquide d'absorption de référence). Les fibres composites ont été réalisées par un procédé de recouvrement conduisant à une faible épaisseur de peau dense (1 à 2 microns). Des modules à fibres composites ont été testés pour séparer un mélange CO₂/N2 avec une solution aqueuse de MEA. Les fibres composites présentent des efficacités de capture similaires à celles des fibres microporeuses mais assurent en plus le maintien des conditions de non mouillage. Des simulations, reposant sur une modélisation 2D du transfert de matière, ont permis de prédire les performances des contacteurs membranaires à fibres composites dans des conditions plus proches de la réalité industrielle et ont mis en évidence un facteur d’intensification pouvant aller jusqu’à 6 par rapport aux colonnes garnies / The present work aims to explore the intensification of gas-liquid absorption processes. This study is applied to post combustion CO₂ capture by means of membrane contactors in comparison to packed columns. Microporous hollow fiber membrane contactors lead to high mass transfer but wetting problems are likely to occur and result in tremendous deterioration in performances with time. Our objective is to develop composite hollow fibers based on a microporous structure and a thin dense layer highly permeable to CO₂, in order to create a real barrier to liquid penetration and to limit mass transfer resistance. Super glassy polymers as PTMSP and Teflon AF2400 were selected for their extremely high CO₂ permeability and their chemical resistance to MEA (reference absorption liquid). Composite hollow fibers were made by coating and the dense layers obtained are thin (1 to 2 microns). Composite hollow fiber membrane contactors were tested for the separation of a CO₂/N2 mixture with an aqueous solution of MEA. Capture ratios achieved by composite hollow fibers are similar to those measured for microporous membranes and the dense layer prevents from wetting problems. Simulations based on 2D modeling of the mass transfer, show that the performances of composite hollow fiber membrane contactors, under operating conditions close to the industrial case, can lead to an intensification factor up to 6 compared to packed columns

Ce travail se penche sur l'étude expérimentale et la simulation numérique du GLCC, un séparateur gaz-liquide cyclonique destiné à de l'industrie pétrolière.Les expériences sont menées sur un pilote air-eau. Dans un premier temps, des observations visuelles ont permis de caractériser le fonctionnement du système en fonction des débits d'entrée. L'influence de la géométrie du système ainsi que des propriétés des fluides sont également considérées.Dans un second temps, l'hydrodynamique de l'écoulement tourbillonnaire dans le séparateur est étudiée par vélocimétrie laser Doppler.Cette étude expérimentale, en mettant l'accent sur le rôle important du fillament tourbillonnaire, a permis d'expliquer pour la première fois divers aspects des écoulements tourbillonnaires turbulents. L'analyse des résultats met également en évidence les nombreuses limites du modèle théorique utilisé pour dimensionner les GLCCs.Côté numérique, les écoulements tourbillonnaires en conduite sont étudiés par une approche CFD utilisant le code commercial Fluent 6.3. Les résultats montrent que la CFD peut reproduire correctement les écoulements tourbillonnaires monophasiques. Cependant, en diphasique, les techniques de simulation actuelles ne conviennent pas pour simuler ce type d'écoulement. / This work focuses on the experimental study and numerical simulation of the GLCC, a gas-liquid cyclone separator developed for the oil industry.The experiments are conducted on an air-water pilot. In a first step, visual observations were used to characterize the system operation according to the incoming flow rates. The influence of system's geometry and the fluid's properties are also considered.In a second step, the hydrodynamics of the vortex flow in the separator is studied by laser Doppler velocimetry.This experimental study, focusing on the important role of the vortex filament, allowed to explain for the first time various aspects of turbulent swirling flows. The analysis of the results also highlights the many limitations of the theoretical model used to design the GLCC.On the numerical side, the swirling flows in pipes are studied via the CFD commercial code Fluent 6.3. The results show that CFD can correctly reproduce the single-phase vortex flow.However, for multiphase flow simulations, it is shown that the current simulation techniques are not suitable to simulate this type of flow.

L'objectif primordial de cette thèse est la recherche de modèles mathématiques qui sont à mieux de décrire le processus d'absorption gaz-liquide dans un contacteur membranaire à fibres creuses poreuses ou denses. La configuration géométrique de ces contacteurs combinée à leur compacité, et de leur faible consommation d'énergie leur permet de se substituer progressivement aux procédés conventionnels tels les colonnes à garnissage et autres tours d'absorption. Notre but est d'étudier la performance de ces processus novateurs par l'élaboration de modèles mathématiques de plus en plus rigoureux. Pour cela, nous avons étudié plusieurs cas de figures où l'hydrodynamique d'écoulement des fluides, la nature du soluté et/ou du solvant ont été changées. Dans un premier temps, il n'a été tenu compte que de l'hydrodynamique du compartiment côté fibre pour deux types de processus d'absorption avec et sans réaction chimique. Par la suite, l'hydrodynamique d'écoulement des fluides dans le côté fibre comme côté calandre a été prise en considération. Des modèles ont été développés pour l'absorption classique de gaz carbonique dans des solutions de monoéthanolamine (liquide d'absorption de référence) où l'écoulement du fluide côté calandre est assimilé à un écoulement piston dans un premier cas, obéissant au modèle dit de surface libre "modèle de Happel" dans un deuxième cas, et enfin caractérisé par des équations de moments de Navier-Stokes dans un troisième cas. La comparaison des résultats numériques de ces modèles a montré que ceux du troisième cas de figure sont les plus proches des résultats d"essais expérimentaux / The overarching objective of this thesis is the research of mathematical models which are better to describe the process of gas-liquid absorption in a membrane contactor with porous or dense hollow fibers. The geometric configuration of these contactors, combined with their low energy consumption and their compactness, allows them to gradually replace conventional processes such as packing towers and absorption columns. Our goal is to study the performance of these innovative processes by developing more rigorous mathematical models. In this scope, we studied several cases where the hydrodynamics of fluid flow, the nature of the solute or solvent have been changed. First, only the hydrodynamics of the fibre side compartment has been taken into account for two types of an absorption process with and without chemical reaction. Subsequently, the hydrodynamics of fluid flow in both the fiber side as shell side were taken into consideration. Models have been developed for classical carbon dioxide absorption in monoéthanolamine solutions (liquid absorption of reference) where the flow fluid in the shell were is assumed to obey a plug-flow in a first case, described by the surface free model known as "Happel model" in a second case, and finally characterized by the momentum Navier-Stokes equations in a third case. The comparison of the numerically simulated results collected from the three models showed that those of the third case matched very closely with the laboratory experimental results

Sécuriser un approvisionnement fiable de micro-algues est récemment devenu un enjeu industriel. Pour assurer la croissance de micro-algues dans des photobioréacteurs clos, un transfert de masse optimum de l'oxygène et du dioxyde de carbone doit être assuré. Dans cette thèse, une étude du transfert de masse gaz-liquide dans les conduites horizontales a été menée. Dans les trois premiers chapitres, un modèle unidimensionnel de transfert de masse dans le photobioréacteur a été développé. Tout d'abord, le transfert de masse entre une bulle de gaz allongée et un écoulement liquide turbulent a été 'étudié expérimentalement. En considérant l'interface comme étant plane, les coefficients de transfert de masse mesurés sont proches d'une corrélation de Lamourelle (1972). Le modèle de Taitel pour les écoulements stratifiés a été comparé à des modèles plus complets pour la prédiction de l'interface des bulles allongées. Une approche analytique basée sur un bilan de masse et utilisant les modèles testés a ensuite été développée et adaptée à un photobioréacteur afin de prédire l'efficacité de la conversion du CO2 en biomasse en fonction des paramètres d'exploitation. Les deux derniers chapitres visent à développer une simulation numérique du transfert de masse gaz-liquide. Une mesure de la concentration en CO2 dans le sillage d'une bulle de gaz ascendante a été effectuée à l'aide d'une méthode améliorée de traitement des données de Fluorescence Induite par Plan Laser (FIPL). Enfin, une simulation numérique a été réalisée sous COMSOL / Securing a reliable supply of microalgae has recently become an industrial stake. To ensure successful growing of microalgae in enclosed, tubular photobioreactor systems as in Microphyt, an optimum mass transfer of oxygen and carbon dioxide should be secured. In this thesis an investigation of the gas-liquid mass transfer in horizontal pipes has been conducted. In the first three chapters, a one dimensional mass transfer model in horizontal gas-liquid flows will be developed and applied to horizontal photobioreactors. Firstly, a study of mass transfer between an elongated gas bubble under a turbulent liquid flow immobilized in a duct has shown that under the hypothesis considering the interface as a flat plane estimated, the measured mass transfer coefficients appear to be well fitted by a correlation from Lamourelle (1972). The interface prediction for stratified flows have been compared to more complete unit-cell models for intermittent flow interface and found to be a good first estimate. The photobioreactor’s conversion efficiency of CO2 into biomass as a function of operating parameters is investigated using an analytical approach to complete the mass balance and classical two-phase flow approach from Taitel (1976). The last two chapters aim at developing a numerical simulation of gas-liquid mass transfer. A measurement of CO2 wake structures behind free rising bubbles have realized using an improved data treatment method for Planar laser-induced fluorescence (PLIF) and pH sensitivity of fluorescein sodium. Finally, an implementation of the experimental measurements under COMSOL has been realised

The aim of the current study is to model (non-wetting) liquid flow in a packed bed under the influence of gas flow. It has been observed experimentally that non-wetting liquid flows in a packed bed in form of small droplets and rivulets falling through the void regions. Continuum models have not been successful in predicting liquid flow paths when the liquid is injected through a point source in the packed bed. In the current study, we present a discrete deterministic model for modeling the liquid flow in a packed bed, under the influence of gas flow. When a high velocity gas blast in injected into a dry packed bed, a cavity or a void is formed in front of the nozzle. The cavity size increases with increasing gas velocity and exhibits hystersis in size upon increasing and decreasing gas flow rate. The cavity size is very important in determining the gas penetration into the packed bed. A proper gas flow profile prediction is necessary for determining it’s effect on the liquid flow behavior. Attempts at modeling cavity sizes have mostly been confined to experimental studies and development of correlations. Different correlations show different dependence on operating as well as bed parameters and a fundamental understanding of the cavity formation and hystersis phenomena is missing. We adopt a combined Eulerean-Lagrangian approach to study the above mentioned phenomena mathematically. Gas is modeled as a continua and solid as discrete (soft sphere D.E.M. approach). Hystersis and cavity formation studies are carried out in a 2D-slot rectangular packed bed. A discrete deterministic liquid flow model (developed and validated under structured packing conditions using x-ray radiography flow visualization technique), is used to study the effect of presence of liquid on the dry bed void size, when liquid is injected in a packed bed through a point source. It is found that the gas pushes the liquid away from the nozzle side wall. Also, the cavity sizes during gas velocity decreasing case are found to be larger in size than the void size obtained during velocity increasing case for the same inlet gas flow rate. This difference is void size leads to more gas penetration into the bed and thus more liquid shift away from the nozzle side wall. Presence of liquid is found to affect the void size (compared to dry bed size) negligibly.

To meet the new challenges of the chemical indutries, the developpement of new heterogeneous catalytic reactors and their understanding are mandatory. From these perspectives, new reactor designs based on structuring at micro or millimeter scales have emerged. They have sparked interest for their ability to decrease physical limitations for heat and mass transfers. Thus, two advanced reactor technologies for gas-liquid-solid catalysed reactions are studied. The first reactor is a micro-structured falling film (FFMR) in which vertical sub millimetric grooves are etched and coated with a catalyst. This structuration allows stabilizing the gas-liquid interface of a down flow liquid phase. A thin liquid film is generated leading to high specific surface areas. Commercially available, it represents a very good potential for performing demanding reactions (i.e.fast, exothermic) for small scale productions such as pharmaceuticals. In a second part, a new reactor concept is proposed. Open cell foams are used as catalyst support and inserted in a milli-square channel. The reactor is then submitted to a preformed gas-liquid Taylor flow. In both cases, hydrodynamics features are studied by using microscopy based methods. Their potential in terms of mass transfers are also studied by performing catalyzed α-methylstyren hydrogenation. For both reactors, it comes out that the particular flow induced by micro or milli structures leads to at least one order of magnitude higher mass transfers performances than mutliphase reactors currently used in the industry albeit it remains to be demonstrated at such scale. From all these studies, correlations, models and methods for chemical engineers (hydrodynamics, pressure drops, mass transfer) are proposed for the two reactors

An experimental investigation has been carried out to study the heat transfer in a two-phase two-component mixture flowing upward inside a 1" double pipe heat exchanger. The heat transfer coefficient was measured using either air to lift the liquid (air-lift system) or a mechanical pump. The heat transfer coefficient results have been extensively studied and compared with other workers' results. An attempt was made to correlate the present heat transfer data in dimensionless correlations. Possible factors affecting the two-phase heat transfer coefficient have been studied with special attention being given to the fluid properties, particularly the liquid viscosity. Experiments were also carried out to investigate the effect of solid particles added to a liquid flow on the measured heat transfer coefficient. The present investigation was carried out using air as the gas-phase ranging from 2x 10-5 up to 80 x 10-5 m3/s. Liquids used were water and glycerol solutions with viscosity ranging from 0.75 up to 5.0 C. P. and flowrates between 4x 10-5 and 25 x 10-5 m3/s. Void fraction and pressure drop were also measured during the heat transfer process. Flow pattern in gas-liquid mixture was investigated in a perspex tube of identical dimensions to the heat exchanger tube.

Cette thèse traite principalement des connaissances fondamentales en hydrodynamique et des caractéristiques des réactions gaz-liquide dans des microréacteurs capillaires. Dans une première partie, nous avons effectué des essais dans trois microcanaux circulaires en verre placés horizontalement. Les diamètres étudiés étaient de 302, 496 et 916 µm. Les arrivées de gaz et de liquide se font de manière symétrique et forme un angle de 120° entre elles. Une cartographie des écoulements diphasiques gaz-liquide a été systématiquement faite pour des vitesses du liquide comprises entre 0,1 et. 2 m/s et des vitesses du gaz comprises entre 0,01 et 50 m/s Ces essais mettent en évidence l'influence du diamètre des canaux, de la viscosité du liquide et de leur tension superficielle. Ces mesures ont été comparées avec les cartes décrivant les différents régimes d'écoulement (à bulles, en bouchons de Taylor, annulaires ou sous forme de mousse) et confrontés aux modèles de la littérature qui prédisent les transitions entre les différents régimes. Nous avons mis en évidence que ces derniers n'étaient pas totalement satisfaisant et en conséquence, un nouveau modèle de transition prenant en compte les effets de taille du canal, les propriétés physiques du liquide a été proposé. Les pertes de charge engendrées par ces écoulements gaz- ont été étudiées. Nous avons constaté que la chute de pression est très dépendante du régime d'écoulement. Cependant pour décrire l'évolution de la perte de charge il est commode de la scinder en trois régions: une où les forces de tension superficielle sont le paramètre prépondérant et qui correspond aux faibles vitesses superficielle du gaz, une zone de transition et une dans laquelle les forces d'inertie sont dominantes et qui correspond aux grandes vitesses superficielles du gaz. La prédiction de cette chute de pression dans la troisième zone a été faite à partir d'un modèle de Lockhart-Martinelli. Ce modèle qui prend en compte les flux de chaque phase dépend d'un paramètre semi empirique C. Nous avons proposé de le corréler avec les nombres de Reynolds correspondant à chacune des deux phases en présence. Cette méthode permet de bien rendre compte de nos mesures. Les caractéristiques hydrodynamiques en écoulement de Taylor ont été examinées. Il a été montré que la formation des bulles dans un écoulement de Taylor est dominée par un mécanisme d'étranglement en entrée du capillaire. La taille des bulles dépend fortement de la viscosité du liquide et la tension superficielle. La chute de pression dans cette zone, lorsque le nombre capillaire est relativement faible, peut assez être bien décrite par le modèle de Kreutzer modifiée par Walsh et al… En fin dans une dernière partie, nous avons réalisé une réaction chimique en écoulement de Taylor. L'oxydation du 2-hydrogéne-ethyltetrahydroanthraquinone (THEAQH2) pour former du peroxyde d'hydrogène a été expérimentalement étudiée dans un microcanal circulaire horizontal de 900 µm de diamètre et 30 cm de long. La présence d'une réaction chimique ne modifie que très peu les transitions entre les différents régimes d'écoulement ni l'évolution des pertes de charge. Les cinétiques de conversion du peroxyde d'hydrogène sont environ deux fois plus rapides celles obtenues dans les réacteurs gaz liquide utilisés habituellement. Mots-clés: microcanal, écoulement diphasiques, écoulement de Taylor, pertes de charge, réaction gaz-liquide. / This dissertation mainly deals with the fundamental knowledge of hydrodynamics and reaction characteristics in gas-liquid microreactors. Extensive experimental investigations have been performed in horizontal circular microchannels with diameter from 302 µm to 916 µm. Gas-liquid two-phase flow patterns in the microchannel have been systematic experimental investigated, in which the influence of channel diameters, liquid viscosities and surface tension were considered. Flow pattern regime maps in the present microchannels were developed, and the comparison with existing regime maps and flow pattern transition models in literature implied that transitions in present work could not be well predicted. As a result, a new transition model taking the effects of channel size, liquid physical properties into account was proposed. The gas-liquid two-phase pressure drop characteristics in microchannels were studied. It has been found that the pressure drop was highly flow patterns dependent, and the main trend can be divided into three regions: surface tension-dominated region, transitional region and inertia-dominated region. The pressure drop characteristics in surface tension-dominated and inertia-dominated region were discussed respectively. A modified Lockhart-Martinelli separated flow model in which the effects of channel diameter and liquid properties on the C-value are taken into account was proposed, and it showed a good agreement with respect to our experimental data and others' reported in literature. Hydrodynamics characteristics of Taylor flow have been examined. It was shown that the formation of Taylor flow was dominated by squeezing mechanism, on which the effects of liquid viscosity and surface tension were dramatically. The two-phase pressure drop of Taylor flow could be well predicted with the Kreutzer's model modified by Walsh et al., when capillary number was relatively low. Oxidation of hydrogenated 2-ethyltetrahydroanthraquinone (THEAQH2) in a horizontal circular microchannel have been experimental investigated. Results of visualization study on oxygen-anthraquinone working solution two-phase flow in microchannel showed that the flow pattern transition model and pressure drop model for inertia-dominated region proposed in this dissertation had good predicting accuracy. It was indicated that the gas-liquid interfacial area and space-time yield of hydrogen peroxide in the microchannel are at least one to two orders of magnitude higher than those in the conventional gas-liquid reactors. Keywords: microchannel, two-phase flow pattern, pressure drop, gas-liquid reaction, Taylor flow..

Afin de répondre aux nouveaux challenges de l'industrie chimique, le développement de nouveaux réacteurs catalytiques hétérogènes plus efficaces et plus sûrs ainsi que leur compréhension sont nécessaires. Dans cette optique, des réacteurs micro ou milli-structurés ont vu le jour et suscitent un intérêt croissant de par leur capacité à diminuer les phénomènes physiques de limitations aux transferts de mantière et de chaleur. Dans ce travail, deux concepts de réacteurs structurés dédiés au milieu gaz-liquide solide sont étudiés. Le premier est un réacteur à film tombant microstructuré (FFMR) dans lequel des canaux sub-millimétriques, rectilignes et verticaux permettent de stabiliser et d'amincir un film liquide en écoulement, générant des aires d'interfaces très importantes. Disponible commercialement, il présente un très bon potentiel pour la mise en oeuvre de réactions à fortes contraintes mais pour de petites productions. Le second réacteur est quant à lui nouveau. Des mousses à cellules ouvertes métalliques sont utilisées comme support de catalyseur structurant confiné dans un canal de section millimétrique carrée et soumis à un écoulement de Taylor G-L préformé. Pour chaque réacteur, l'hydrodynamique des écoulements est étudiée par le développement de techniques microscopiques et leurs aptitudes aux transferts de masses sont évaluées par la mise en oeuvre de la réaction catalytique d'hydrogénation de l'α-methylstyrène. Il en ressort que les écoulements particuliers rencontrés dans ces deux objets permettent d'atteindre des capacités de transferts de matières supérieurs d'au moins un ordre de grandeur aux technologies usuelles pour un coût énergétique, lié à l'écoulements des fluides, faible. Par ailleurs, des éléments de dimensionnement (hydrodynamique, perte de charge et transferts de matière) ont été construits pour les deux réacteurs / To meet the new challenges of the chemical indutries, the developpement of new heterogeneous catalytic reactors and their understanding are mandatory. From these perspectives, new reactor designs based on structuring at micro or millimeter scales have emerged. They have sparked interest for their ability to decrease physical limitations for heat and mass transfers. Thus, two advanced reactor technologies for gas-liquid-solid catalysed reactions are studied. The first reactor is a micro-structured falling film (FFMR) in which vertical sub millimetric grooves are etched and coated with a catalyst. This structuration allows stabilizing the gas-liquid interface of a down flow liquid phase. A thin liquid film is generated leading to high specific surface areas. Commercially available, it represents a very good potential for performing demanding reactions (i.e.fast, exothermic) for small scale productions such as pharmaceuticals. In a second part, a new reactor concept is proposed. Open cell foams are used as catalyst support and inserted in a milli-square channel. The reactor is then submitted to a preformed gas-liquid Taylor flow. In both cases, hydrodynamics features are studied by using microscopy based methods. Their potential in terms of mass transfers are also studied by performing catalyzed α-methylstyren hydrogenation. For both reactors, it comes out that the particular flow induced by micro or milli structures leads to at least one order of magnitude higher mass transfers performances than mutliphase reactors currently used in the industry albeit it remains to be demonstrated at such scale. From all these studies, correlations, models and methods for chemical engineers (hydrodynamics, pressure drops, mass transfer) are proposed for the two reactors

The production from an oil reservoir is a mixture of liquids (oil and water) and gas, and is often maintained by using a pump placed in the well to ensure a continuous flow to the surface. Electrical Submersible Pumps consist of stacked centrifugal pump stages, each comprising a bladed impeller (rotating part) and diffuser (stationary part). In multiphase conditions, the gas tends to accumulate in the impeller, severely reducing the pressure produced by the pump. Radial-flow pumps operate in a plane perpendicular to their rotation axis, while mixed-flow pumps are characterised by a lower meridional angle (generally 40 to 80 degrees), and are generally better at handling gas-liquid mixtures. We first describe the impact of gas on the whole pumping system, from the reservoir to the storage facility, and give context to the subject. The available literature shows that the size of the gas bubbles present in the fluid is critical to the pump performance. A transparent, full-scale pump was built in order to explore the flow features in single and multiphase flows. Laser Doppler Velocimetry and high speed imaging in single phase flow showed a high turbulence level in the wake of the impeller blades, and recirculation cells at low flow rates. In gas-liquid conditions, we demonstrated that the bubble size varies within a pump stage, as break-up occurs at the impeller tip, and coalescence is dominant in the diffuser, especially because of recirculation. The first impeller acted as a mixer, and at moderate to high gas fractions (10 to 30%), the flow patterns at the stage level alternated between bubbly and radially separated flows. Finally, a dispersed-gas model was developed to predict the pressure rise in a mixed-flow pump impeller under gas-liquid conditions. This model based on the forces acting on a single spherical gas bubble, was implemented with a simplified, parametric representation of the flow field in a mixed-flow impeller. In the meridional direction, the Coriolis force opposes the centrifugal force and the adverse pressure gradient. Both forces tend to retain the gas bubble within the impeller. The relative magnitude of the drag force strongly depends on the maximal bubble diameter, which was determined as a function of the flow conditions and used to calculate the gas velocity through the impeller. This method resulted in a better agreement with the experimental data than a one-dimensional two-fluid model where the gas phase follows the same path as the liquid. We used the dispersed-gas model to give quantitative evidence that low blade and meridional angles reduce the gas accumulation and the associated performance degradation.