Ce travail de thèse porte sur la modélisation de la cavitation, phénomène par lequel se forment des bulles quasi vide dans un liquide en dépression. L'étude de la cavitation a donné lieu dans la littérature à plusieurs modèles. La quasi totalité de ces modèles font abstraction des interactions entre les bulles et de l'augmentation de la pression qui en résulte dans certaines phases d'évolution de la cavitation, comme l'ont observé expérimentalement Franc et al. (1995) et de Ohl (2002). Dans notre travail nous proposons un nouveau modèle d'évolution de la taille des bulles, dans lequel deux bulles non identiques sont localisées dans un volume en expansion contrôlée. La présence de deux bulles introduit une instabilité dans laquelle l'échange de vide apparaît comme un degré de liberté supplémentaire. Notre modèle inclut la possibilité pour de nombreuses petites bulles de disparaître ou non selon que leur rayon est inférieur ou pas au rayon critique. Selon ce modèle il peut y avoir de nombreux collapses de petites bulles dès l'apparition de la cavitation, ce qui est conforme à l'observation expérimentale d'un bruit dans la zone d'apparition de la cavitation Buogo et al. (2002). Le modèle révèle la pression comme une inconnue du problème pour laquelle nous avons pu mettre en évidence une équation d'évolution indépendante de celle de la masse volumique. La comparaison de la taille des bulles et de la pression en fonction du temps obtenue avec le modèle est en bon accord avec les mesures effectuées en 2002 par Ohl. / This thesis work concems the modelling of cavitation, a phenomenon by which almost empty bubbles are formed in a liquid in depression. The study of cavitation gave several models in literature almost all of these models disregard the interactions between the bubbles and the rise of pressure which results in certain phases of the evolution of the cavitation, as observed in experiments by Franc et al. (1995) and Ohl (2002). ln our work, we propose a new evolution model in the size of the bubbles, in which two non-identical bubbles are localized in a controlled expansion volume. The presence of two bubbles introduces an instability in which the exchange of void seems to be an additional degree of autonomy. Our model includes the possibility for many small bubbles to disappear or not depending on whether there is lower or not than the critical radius. According to the model, there can be many collapses of small bubbles as soon as the phenomenon of cavitation appears which is in accordance with the experimental observation of a noise in the appearance zone of Buogo et al (2002). The model reveals the pressure as an unknown factor of the problem for which we have highlighted an independent evolution equation of that density. The comparison of the size of the bubbles and the pressure depending on the time obtained with the model is in accordance with the measurements carried out in 2002.

Dissertation--Philosophischen Fakultät--Düsseldorf--Heinrich-Heine-Universität, 2000. / Bibliogr. p. 390-436.

Th. doct.-ing.--Chim. ind.--Toulouse--I.N.S.A., 1979. N°: 24.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2007. Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Tunis, ENIT : 2007. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 137 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 40 réf.

Th.--Sci. phys.--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 22.

Th. doct.-ing.--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 105.

Les réacteurs à colonne à bulles gaz-liquide-solide sont largement utilisés liquide ainsi que gaz dans les raffineries de pétrole et les usines de traitement de gaz. Ils sont notamment utilisés dans les procédés chimiques mettant en jeu des réactions. Ces dernières années, l'industrie pétrolière et gazière offshore s'est de plus en plus intéressée à l'extension de l'application des réacteurs pour les plates formes flottantes telles que les unités flottantes de stockage et de déchargement de production (FPSO ). Cependant, les enjeux des courants marins et des vagues influencent les performances des réacteurs installés à bord des unités marines. Pour maintenir la capacité et les spécifications de produit dans de tels réacteurs, la prédiction de leurs écarts de performance par rapport à ceux statiques est essentielle. En particulier, l'étude du comportement d'un écoulement à bulle unique dans une colonne en mouvement fournira une base pour comprendre le comportement plus complexe d'un écoulement à bulles multiple s dans un réacteur à colonne à bulles fonctionnant dans des conditions flottantes. Afin de mieux comprendre les effets de la houle marine sur les performances des réacteurs à colonnes à bulles, cette recherche vise à étudier l'hydrodynamique de la remonté e d'une seule bulle dans une colonne inclinée. Comme l'interaction bulle-paroi a un impact majeur sur l'hydrodynamique du réacteur à colonne à bulles dans des conditions flottantes, les modifications de la trajectoire de la bulle, de la vitesse et du rapport d'aspect imposées par les interactions bulle-paroi sont étudiées. / Gas-liquid as well as gas-liquid-solid bubble column reactors are extensively used in oil refineries and gas treatment plants. They are used especially in chemical processes involving reactions. In recent years, offshore oil and gas industry has been increasingly interested in extending application of reactors for floating platforms such as floating production storage and offloading (FPSO) units. However, the challenges of marine currents and waves influence performance of reactors installed onboard marine units. To maintain the capacity and product specifications in such reactors, prediction of their performance deviations with respect to the static ones is essential. Particularly, investigation on single bubble flow behavior in a moving column will provide a basis to understand the more complex behavior in multi-bubble flow in a bubble column reactor operating in floating conditions. To provide more detailed understanding into the effects of marine swells on the performance of bubble column reactors, this research aims at studying the hydrodynamics of single bubble rising in an inclined column. As the bubble-wall interaction has a major impact on the hydrodynamics of bubble column reactor under floating conditions, the modifications in bubble trajectory, velocity, and aspect ratio imposed by the bubble-wall interactions are studied. This master thesis consists of two chapters. The first chapter contains a general introduction on the challenges brought by the need to extend the application of hydrocarbon treating facilities onboard marine units. Important information about hydrodynamics of bubble column reactors and single bubble rising in liquid are provided. Additionally, the most important issues in selection of the solver and the simulation methods are discussed. In the second chapter, the dynamics of a single ellipsoidal air bubble rising in an inclined cylindrical vessel is experimentally investigated. At the end, a general conclusion on the work performed and recommendations for future works is presented.

Ce travail de recherche vise à mesurer et à contrôler la distribution du diamètre des bulles (DDB) dans une colonne de flottation. L'objectif se décompose en trois parties. La première phase vise à estimer correctement la taille des bulles grâce à des algorithmes de traitement d'images prises par une caméra. La DDB obtenue est ensuite modélisée par une distribution log-normale qui est définie par deux paramètres, la moyenne et l'écart type. Deuxièmement, grâce au nouveau système de mesure et à la représentation log-normale, un modèle dynamique à gains non linéaires (structure de Wiener) dont les sorties sont la moyenne et l'écart-type de la DDB est estimé. Une bonne concordance entre la réponse du système expérimental et celle du modèle identié est observée. Finalement, une stratégie de commande prédictive contrainte basée sur le modèle de Wiener est conçue afin de réguler la BSD. Les résultats de laboratoire obtenus sont très satisfaisants.

La société Solvay est le plus grand producteur de bicarbonate de sodium raffiné au monde. Le NaHCO3 est un des produits parmi les plus connus et utilisés. Sa production a lieu dans des colonnes à bulles de volumes très importants. La production du bicarbonate de sodium raffiné dans ces réacteurs peut se résumer par la réaction entre une solution saturée de carbonate de sodium (Na2CO3) et le CO2(gaz) Cette production implique la connaissance et le contrôle des réacteurs de type triphasique. En effet dans ce procédé on met en jeu deux types de transferts entre un gaz et un liquide le CO2 et la solution de Na2CO3 et entre un liquide et un solide, NaHCO3 (liq) et NaHCO3 (solide) Le but de ce travail est d’acquérir des informations concernant la cristallisation du NaHCO3 dans une colonne à bulles. L’étude de la cristallisation de ce produit se fait au travers des modèles des cinétiques de cristallisation : la vitesse de croissance G (m•s-1) et la vitesse de nucléation J (#.m-3•s-1). Nous avons utilisé pour cette étude deux réacteurs différents; un réacteur parfaitement mélangé ou MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) et un réacteur de type colonne à bulles à l’échelle laboratoire. Le premier réacteur nous a permis d’étudier le transfert liquide solide et les différents paramètres qui peuvent intervenir dans la cristallisation comme par exemple : La sursaturation, la température, l’agitation, la densité du solide et les impuretés. Dans la colonne à bulles nous avons étudié les principaux paramètres opératoires comme par exemple : le débit de gaz injecté, la température, la composition la présence d’impureté dans la solution. Grâce à l’étude des différents paramètres du procédé de cristallisation dans les deux réacteurs, nous avons pu établir clairement les relations entre les paramètres opératoires d’une colonne à bulles et les paramètres de cristallisation. Une évaluation paramétrique de la vitesse de croissance et de la vitesse de germination du NaHCO3 a été réalisée dans les deux réacteurs. Nous avons comparé les résultats obtenus dans nos différents réacteurs aux résultats obtenus dans des colonnes industrielles afin d’observer en premier lieu, l’effet des paramètres étudiés à une grande échelle et en deuxième lieu afin de savoir si notre étude peut être corrélée à une échelle industrielle. Ainsi l’information obtenue concernant chaque paramètre étudié sera utilisée pour l’amélioration d’un modèle global décrivant le procédé de cristallisation du NaHCO3 dans les colonnes de production industrielle Solvay.