Le chauffage par micro-ondes (MO) est employé depuis plus de 20 ans dans nombreux laboratoires pour l'activation de réactions en synthèse chimique. Il existe un débat sur l'existence d'effets MO sur la vitesse des réactions puisque des augmentations des vitesses des réactions ont été parfois observées. Des caractéristiques du chauffage MO peuvent être intéressantes pour l'intensification des procédés mais cette technique a rarement fait l'objet de productions à grande échelle. Peu de méthodes d'extrapolation de ces applications ont été proposées et celles qui existent sont purement empiriques. Nous avons voulu établir une méthodologie d'extrapolation de réacteurs MO en nous servant d'observations expérimentales fiables. La méthodologie des travaux a d'abord consisté au choix d'une réaction cible pour nos études : l'estérification de l'acide acétique avec le pentanol catalysée par une résine acide d'échange ionique. Nous avons conçu et construit un réacteur agité avec application monomode des MO. Des études dans le pilote ont montré le comportement hydrodynamique parfaitement agité du réacteur, la reproductibilité et la haute efficacité du chauffage. De plus, aucun gradient de température dans le réacteur n'a été mis en évidence. Des tests chimiques sous MO en réacteur fermé et en continu, ainsi qu'en milieu peu polaire ont montré que l'application des MO n'a pas eu d'influence sur la cinétique de la réaction cible. Finalement, nous avons développé une procédure d'extrapolation de réacteurs micro-ondes de type cuve agitée, qui est basée sur l'absence d'effet MO sur la chimie et sur le contrôle des zones chaudes dans le réacteur

Le chauffage par micro-ondes (MO) est employé depuis plus de 20 ans dans nombreux laboratoires pour l’activation de réactions en synthèse chimique. Il existe un débat sur l’existence d’effets MO sur la vitesse des réactions puisque des augmentations des vitesses des réactions ont été parfois observées. Des caractéristiques du chauffage MO peuvent être intéressantes pour l’intensification des procédés mais cette technique a rarement fait l’objet de productions à grande échelle. Peu de méthodes d’extrapolation de ces applications ont été proposées et celles qui existent sont purement empiriques. Nous avons voulu établir une méthodologie d’extrapolation de réacteurs MO en nous servant d’observations expérimentales fiables. La méthodologie des travaux a d’abord consisté au choix d’une réaction cible pour nos études : l’estérification de l’acide acétique avec le pentanol catalysée par une résine acide d’échange ionique. Nous avons conçu et construit un réacteur agité avec application monomode des MO. Des études dans le pilote ont montré le comportement hydrodynamique parfaitement agité du réacteur, la reproductibilité et la haute efficacité du chauffage. De plus, aucun gradient de température dans le réacteur n’a été mis en évidence. Des tests chimiques sous MO en réacteur fermé et en continu, ainsi qu’en milieu peu polaire ont montré que l’application des MO n’a pas eu d’influence sur la cinétique de la réaction cible. Finalement, nous avons développé une procédure d’extrapolation de réacteurs micro-ondes de type cuve agitée, qui est basée sur l’absence d’effet MO sur la chimie et sur le contrôle des zones chaudes dans le réacteur / Microwave (MW) assisted organic synthesis has been employed in many laboratories since more than 20 years. There is a controversy concerning the effects of MW on the kinetics of reactions since some enhancement of reaction rates have been observed. While MW heating advantages could be of interest for processes intensification, this technique has rarely been employed for large-scale productions. Scaling-up methods are rare and the existed techniques are generally empirical. The aim of our project is to propose a methodology for the extrapolation of MW reactors, using experimental reliable observations. Our research strategy has enabled us the choice of the target reaction to be carried out under MW irradiation: the esterification of acetic acid with pentanol over an acidic cation-exchange resin. A stirred reactor with MW single mode application was designed and constructed. Studies on the pilot have showed the perfectly stirred hydrodynamic behaviour of the reactor, the stability and the high heating efficiency. Moreover, no thermal gradients in the reactor have been observed. Tests in the reactor operated in batch and continuous mode, as well as in weak polar media, showed that there is no influence of MW heating on the kinetics of the target reaction. Finally, a guideline for the scaling-up of MW reactors was developed, based on the absence of MW effects on the reaction kinetics and on the control of hot zones in the reactor

La première partie de ce travail est consacrée au développement d'un capteur granulométrique exploitant la rétrodiffusion de la lumière. L'intensité de la lumière rétrodiffusée est mesurée sur une large gamme de diamètre de particules (0,2 à 56 µm), indice de réfraction relatif <i>m</i> (1,09 à 1,94) et fraction volumique de solide Φ (10^-6 à 0,5). Les résultats expérimentaux sont comparés à trois approches théoriques : la méthode de rétrodiffusion simple qui décrit la rétrodiffusion dans des suspensions peu chargées, l'approximation de diffusion de la théorie du transfert radiatif qui est applicable pour des suspensions chargées et la méthode statistique de Monte Carlo qui peut être utilisée sur toute la gamme de fraction volumique. Il est démontré que le capteur de rétrodiffusion permet de déterminer - quand Φ et <i>m</i>. sont connus - le diamètre moyen des particules en suspension chargée. L'étendue de la gamme de mesure est d'environ 0,03 à 10 µm pour les diamètres et dépend de Φ et <i>m</i>. L'objectif de la deuxième partie est l'obtention d'une meilleure connaissance de l'agglomération de particules fines dans un écoulement turbulent. Dans ce but, la cinétique de l'agglomération est examinée sur une large gamme de Φ (2°10^-6 to 5°10^-3) dans une cuve agitée. Deux méthodes granulométriques <i>in situ</i> sont utilisées : la turbidimétrie et la rétrodiffusion. L'étude expérimentale montre que la croissance des agglomérats en cuve agitée est limitée par l'effet du cisaillement hydrodynamique : l'agglomération se poursuit au cours du temps jusqu'à atteindre un état stationnaire auquel correspond une taille limite d'agglomérat. Un modèle d'agglomération - fragmentation est présenté. Il permet de quantifier l'influence de la vitesse de cisaillement et de phi sur la cinétique de l'agglomération et la morphologie des agglomérats.

Pour stopper un emballement thermique dans un réacteur chimique, un moyen efficace consiste à introduire une faible quantité d'un inhibiteur liquide appelé « killer » dans la cuve agitée. Tout au long de cette thèse, l'approche expérimentale a été fortement couplée à la modélisation numérique par Computational Fluid Dynamics (CFD). La première partie du manuscrit porte sur l'hydrodynamique des réacteurs partiellement chicanés incluant la prise en compte du vortex central qui se forme à leur surface. L'utilisation d'une approche numérique multiphasique, non-homogène a permis de modéliser la déformation de la surface-libre, et la faisabilité de cette méthode innovante a été démontrée par un très bon accord entre prédictions numériques et données expérimentales. Dans une deuxième partie, l'introduction d'un jet de liquide sur la surface libre a été couplée à l'hydrodynamique du réacteur. Les résultats numériques, obtenus avec une approche Eulerienne-Lagrangienne, ont également montré un bon accord avec les données expérimentales. Ces résultats ont permis de modéliser la trajectoire du jet, de quantifier sa pénétration dans la cuve agitée, et de définir de nouveaux critères de mélange. Enfin, les méthodes numériques validées à l'échelle pilote ont été étendues à l'échelle industrielle et ont permis de proposer des améliorations concrètes pour une meilleure sécurité des réacteurs industriels étudiés.

Un grand nombre d’industries (chimiques, pharmaceutiques et agroalimentaires) utilisent, produisent ou transforment des fluides complexes. Ce sont des fluides à viscosité élevée, souvent de comportement non-Newtonien. Leur préparation nécessite souvent une étape de chauffe suivie d’une étape de refroidissement. La chauffe est indispensable afin de faciliter la fabrication (réaction chimique et/ou transformation physico-chimique). Le refroidissement, ou encore l’étape de finition, consiste à amener les fluides jusqu’à une température proche de la température ambiante pour aborder l'étape de conditionnement. Le refroidissement est le plus souvent réalisé « in situ » dans la même cuve agitée, équipée d’une double enveloppe (utilisée pour la fabrication), mais des technologies en continu peuvent également être envisagées. Ces travaux de thèse portent sur la mise en place d’une méthodologie de pilotage de la vitesse d’agitation lors du refroidissement de fluides complexes dans des cuves agitées, ainsi que sur la comparaison des performances de la cuve agitée avec celles du mélangeur statique. Deux fluides de travail sont testés : Newtonien et viscoplastique, en régime d’écoulement laminaire et transitoire. Nous déterminons les limites de l’influence de l’agitation sur le transfert thermique, la durée de l’opération et la quantité d’énergie consommée. En premier lieu, le refroidissement est étudié à l’échelle laboratoire (réacteur de 0,6L). Il a été constaté que le changement de la vitesse d’agitation au cours du refroidissement affecte le profil de température. Cela a un impact avantageux sur le coût énergétique et/ ou la durée de refroidissement. Les tendances observées à l’échelle laboratoire sont transposées et validées à l’échelle pilote (réacteur de 60L). Puis deux types de mélangeurs statiques sont étudiés comme technologie en continu. Nous établissons des modèles de perte de charge que nous utilisons dans la détermination de l’énergie dépensée pour le refroidissement. Ensuite nous réalisons une comparaison de leurs performances en fonction des facteurs d’efficacité de transfert thermique et de consommation énergétique. Enfin, une brève analyse comparée est exposée, présentant les divers critères de choix entre la cuve agitée et la technologie en continu. / Highly viscous Newtonian and non-Newtonian fluids are frequently encountered in the process industries (like pharmaceutical, food and cosmetics). The preparing of such products involves heating and cooling steps. The heating stage is essential in order to facilitate the production (chemical reaction and/or physico-chemical transformation). The cooling step, named also final stage, leads the fluids to ambient temperature and prepares them for the conditioning. The cooling is mostly realized "in situ" in the same double jacketed stirred vessel, (used for the manufacturing), but continuous technologies may also be employed. This study aims to investigate the cooling of highly viscous fluids, and intends to define the best conditions for controlling the impeller speed (constant or variable) in a stirred vessel, as well as to compare the performances of the stirred vessel with those of the static mixer. Two fluids are tested: a Newtonian and a Non-Newtonian yield-stress fluid, in laminar and transitional conditions. The limits of the influence of the impeller speed on the heat transfer, the duration and the energy consumption are determined. In a first approach, the cooling is studied at small scale (0,6L vessel). The variation of the impeller speed during the cooling, affects the profile of temperature. This type of procedure has an advantageous impact on the energy cost and / or the duration of the cooling. The observed tendencies at a small scale are transposed and validated at a pilot scale (60L vessel). Two types of static mixers are studied as continuous technology. Models of pressure drop are established, which are used further in the determination of the energy consumption for the cooling. The performances of these two static mixers are compared, according to the factors of heat transfer efficiency and energy consumption. Finally, a brief comparative analysis is exposed, presenting diverse criteria of choice between the stirred tank and the continuous technology.

Un nouveau système d’aération de surface pour le traitement des eaux usées a été étudié. Sa spécificité réside dans sa capacité à fonctionner selon deux modes : aération ou simple brassage, en modifiant uniquement le sens de rotation du système. Un pilote a permis de cibler le travail sur l’étude expérimentale du transfert de matière et de l’hydrodynamique. Les champs d'écoulement et les mesures de vitesse à l'intérieur de la cuve agitée ont été réalisés par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) et par vélocimétrie par images des particules (PIV) pour le mode monophasique (brassage) et pour le mode diphasique (aération). Le transfert d'oxygène se produit à la fois dans la cuve et dans le spray au-dessus de la surface de l'eau. Il a été étudié dans les deux zones. Différentes configurations et conditions opératoires ont été testées afin de comprendre les phénomènes d’interaction : tube de guidage, hélice complémentaire RTP, vitesse de rotation, niveau de submersion des pales de la turbine. La partie expérimentale sur l’hydrodynamique et les champs d'écoulement montre que le mode de fonctionnement en pompage vers le bas (brassage) avec tube de guidage procure les meilleurs résultats en termes de mélange si on se réfère aux champs d'écoulement et à la mesure du temps de mélange. Pour le mode de fonctionnement en pompage vers le haut (aération), les résultats expérimentaux montrent que la configuration du système complet est la plus efficace si on considère le transfert d’oxygène, les vitesses moyennes, l'intensité de l'écoulement turbulent et le temps de mélange. Il est constaté que la meilleure efficacité d'aération standard est atteinte (SAEb = 2.65 kgO2kw-1h-1) lorsque le système complet est utilisé. L'efficacité d'aération standard à 20°C la plus élevée au niveau du spray d'eau est obtenue ((ESP)20 = 51,3%) avec la configuration du système complet. Plusieurs modèles sont proposés pour calculer le transfert d'oxygène dans la cuve et dans le spray, la consommation énergique et le temps de mélange. Ces relations permettent d’évaluer l’influence des différents paramètres géométriques et de fonctionnement dans des systèmes similaires à une échelle industrielle. / A new surface aeration system for water and wastewater treatment has been studied. Its uniqueness lies in its ability to operate in two modes: aeration or simply blending (mixing) by just reversing the direction of rotation. An experimental plant has enabled to focus on mass transfer performance and hydrodynamics. The flow pattern and the velocity field measurements inside the agitated tank were performed by both the Laser Doppler Velocimetry (LDV) and the Particle Image Velocimetry (PIV) techniques for the single phase (Mixing) mode and for the two phases (Aeration) mode. The oxygen mass transfer occurs both in the water bulk and in the spray above water surface and has been independently investigated. Different configurations and operational conditions were tested during the experimental part in order to interpret phenomenon effect of the draft tube and RTP propeller, rotational speed, turbine blades submergence and else on the flow field and the oxygen mass transfer in the agitated system that produced mainly by a cone shape turbine. The experimental part dealing with hydrodynamics and flow field shows that the down-pumping operation mode with the draft tube has the most convenient results in the mixing mode with respect to turbulent flow field and mixing time. Whilst for the up-pumping aeration mode the hydrodynamics experimental results show the whole system configuration is the most convenient with regarded to mean velocities, turbulent flow intensity and mixing time. For the oxygen mass transfer experimental part, it is found that the highest standard liquid bulk aeration efficiency is achieved (SAEb = 2.65 kgO2 kw-1h-1) when the whole system configuration is used. The highest standard aeration efficiency at 20°C for the water spray zone is accomplished ((Esp)20 = 51.3 %) with the whole system configuration. Several correlations models have been derived for the oxygen mass transfer in water bulk and spray zones, power consumption and mixing time, on the basis of experimental results. They can be used as tools to estimate these parameters for geometrical and dynamical similar systems at industrial scales.