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.

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.

La simulation de réacteurs à bulles en régime industriel est un grand défi. L'objectif principal de ce travail est la prédiction de la taille des bulles à l’aide d’un modèle numérique de bilan de population, basé sur la modélisation des phénomènes de brisure et de coalescence, et pouvant être couplé aux conditions hydrodynamiques présentes dans les réacteurs. Différentes données expérimentales sont obtenues pour valider le modèle. La taille des bulles est mesurée à l'aide d'une technique innovante de corrélation croisée. Les essais, réalisés en eau du réseau (partiellement contaminée) et en eau déminéralisée avec ajout éventuel d'éthanol, montrent que les additifs réduisent la coalescence et diminuent la taille moyenne des bulles. Deux distributeurs du gaz différents sont utilisés pour découpler l'étude de la brisure et de la coalescence. Les données expérimentales sont utilisées initialement pour valider des simulations CFD 3D transitoires Eulériennes-Eulériennes. La loi de traînée est corrigée par un facteur de swarm pour intégrer l’effet d’une fraction de gaz élevée. Différents modèles de turbulence sont testés. La contribution de la turbulence induite par les sillages de bulles au mélange de scalaires est évaluée. Enfin, pour prédire la taille des bulles, un bilan de population est couplé au modèle hydrodynamique préalablement validé et est résolu par la méthode de quadrature des moments (QMOM). Un set original de kernels de brisure et coalescence est proposé, capable de prédire la taille des bulles pour différentes conditions opératoires. Le comportement du modèle lors de l’extrapolation des réacteurs est également examiné / The simulation of bubble column reactors under industrial operating conditions is an exciting challenge. The main objective of this work is to predict the bubble size, in turn interconnected to the reactor hydrodynamic conditions, with computational models, by modelling bubble breakage and coalescence. Experimental data is collected for model validation, including bubble size measurements with an innovative cross-correlation technique. Experiments are carried out with tap water and demineralized water, with or without the addition of ethanol, and gathered results show that additives reduce coalescence and lower the mean bubble size. Two different spargers are used, in order to decouple the investigation of breakage and coalescence. The experimental data set is used to validate out unsteady three-dimensional Eulerian-Eulerian CFD simulations. A drag law for oblate bubbles is considered, together with a swarm factor, that accounts for the swarm effect. Several turbulence models are tested. The contribution of bubble induced turbulence (BIT) to scalar mixing is assessed. To predict bubble size, a population balance model is coupled to the hydrodynamic model and is solved with the quadrature method of moments. A set of breakage and coalescence kernels is proposed, capable of predicting the bubble size for different operating conditions. Scale-up effects are also investigated

Les colonnes à bulles sont largement utilisées dans les domaines du génie chimique et biologique, grâce à leur configuration simple, exempte de toute partie mobile. Néanmoins, leur extrapolation aux échelles industrielles engendre des modifications de l’hydrodynamique globale (vitesse du liquide, taille des bulles) qui sont encore difficile à prédire avec les outils numériques disponibles.La thèse a pour objectif d’établir une base de données sur l’évolution radiale et axiale de l’hydrodynamique locale (taux de vide, taille de bulles, vitesse liquide), dans différentes tailles de colonnes allant de 0.15 à 3 m de diamètre, pour des vitesses superficielles gaz comprises entre 3 et 35 cm/s, générant des taux de vide atteignant les 35%. Les mesures de taux de vide local, de vitesse de bulles et de la taille verticale des bulles sont réalisées à l’aide d’une sonde optique 1C. De plus, une nouvelle méthode pour mesurer la taille horizontale des bulles à fort taux de vide et en écoulement fortement multidirectionnel est proposée dans cette thèse. Cette méthode est basée sur la corrélation croisée spatiale de signaux provenant de deux sondes optiques placées parallèlement à la même élévation, et à une distance l’une de l’autre devant nécessairement être plus faibles que les bulles les plus petites présentes dans l’écoulement. Les mesures de taille de bulles sont validées en les comparant à un traitement d’images par endoscopie. Pour des vitesses superficielles de gaz supérieures à 9 cm/s, un bon accord est trouvé entre les trois méthodes (sonde optique 1C, corrélation croisée et endoscopie). La taille des bulles augmente légèrement lorsque la vitesse superficielle gaz augmente, par contre elle n’est pas impactée de manière significative par le diamètre des colonnes. Une plus grande ségrégation radiale est tout de même visible dans les plus grandes colonnes testées.Un modèle 1D radial développé pour un écoulement invariant le long de l’axe de la colonne est utilisé pour tester différents formalismes de forces de trainée, utilisant les données expérimentales de taille moyenne de bulles. Les simulations montrent que pour prédire correctement le flux gazeux expérimental, il est nécessaire d’introduire un « swarm factor » (Simonnet et al, 2008) diminuant le coefficient de trainée à fort taux de vide. De plus, des simulations 3D URANS avec Fluent® sont réalisées avec la loi de trainée validée par le modèle 1D précédemment cité. Un bon accord est observé entre les valeurs expérimentales et simulées des profils radiaux de taux de vide et de vitesse liquide, pour des diamètres de colonne allant de 0.4 m à 3 m, et pour des vitesses superficielle gaz de 3 à 35 cm/s. / Bubble columns reactors are widely used in chemical and biological engineering due to its simple configuration without mobile parts. However, the scale-up prediction of a bubble columns reactors is still a challenging process, due to the lack reliable experimental data and models.The present work aims to construct detailed database of the radial and axial evolution of local hydrodynamics properties (gas hold-up, bubble size and velocity, liquid velocity) acquired in several bubble columns in a scale factor of 20 (from 0.15 to 3 m in diameter), for a superficial gas velocity from 3 to 35 cm/s, yielding gas hold-ups up to 35 %. Measurements of local gas hold-up, bubble velocity and bubble vertical size are performed by a 1C mono-fiber optical probe. Moreover, a novel method to measure mean horizontal diameter of bubbles at high void fraction and in a multi-directional flow is proposed. This method is based in the spatial-cross correlation of signal of two optical probes placed parallel side by side, at a given distance from each other, at the same elevation in the column. The validation of the bubble size measurements are performed through a comparison of the results with an endoscopic imaging method. For superficial gas velocities higher than 9 cm/s, a good agreement is found between the three methods (1C mono-fiber optical probe, cross-correlation and endoscopic imaging). A slight increase is registered with the increase of the superficial gas velocity, however there is no significant variation with the column diameter.A 1-D radial model of a bubbly flow (Ueyama and Miyauchi, 1979) developed for a invariant flow along the column axis, is used to benchmark several classic formalisms of the drag force, using experimental average bubble size. Results show that to correctly predict the experimental gas flowrate, it is necessary to use a Swarm factor (Simonnet et al, 2008) that reduces the drag coefficient for high gas hold-up values. Moreover, Fluent® 3D URANS simulations are performed using the previously validated drag force formalism. A good agreement is found between experimental and simulated radial profiles of gas holdup and liquid velocity for column diameters ranging from 0.4 m up to 3 m in diameter in a range of superficial gas velocities from 3 cm/s to 35 cm/s.

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) <p> <p>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)<p>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 ( / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished