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.

Afin d'augmenter la compacité du lavage chimique pour la désodorisation d'effluents gazeux, un contacteur gaz-liquide intense a été développé. Celui-ci fonctionne à co-courant avec une vitesse superficielle du gaz importante, permettant d'atteindre des performances de transfert élevé et un temps de séjour réduit. La première partie de l'étude porte sur le passage à l'échelle semi-industrielle du procédé pour le traitement du sulfure d'hydrogène sur un effluent réel de station d'épuration. Les résultats démontrent des efficacités de transfert intéressantes (jusqu'à 95%). L'étape suivante a consisté à développer et optimiser une solution de lavage adaptée au traitement des Composés Organiques Volatils (COV), basée sur la combinaison de l'ozone et du peroxyde d'hydrogène (procédé peroxone), le polluant test étant le diméthyldisulfure (DMDS). Ainsi, la production de radicaux hydroxyles issus de la décomposition de l'ozone a permis d'accélérer le transfert du DMDS. Enfin, le procédé peroxone a été testé en recirculant la solution de lavage pour le traitement de COV de natures chimiques différentes. L'optimisation de l'oxydation au sein du liquide a permis le recyclage de la solution de lavage, ce qui représente une économie substantielle pour un tel procédé.

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.

Les réacteurs-échangeurs à plaques (HEX) sont une technologie clé en intensification des procédés. Cependant, la plupart des recherches existantes portant sur ce type d'équipement ont été réalisées dans le cas d’écoulements monophasiques. Pour les réactions gaz-liquide, peu d'études ont été conduites. Cette thèse a pour objectif d’étudier localement le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor en écoulement dans des canaux millimétriques droits et ondulés par une méthode dite colorimétrique. Ceci constitue une étape préliminaire indispensable avant la mise en œuvre de systèmes réactifs diphasiques. Il a d’abord déterminé si une possible accélération du transfert de matière gaz-liquide pouvait avoir lieu en présence de la réaction chimique utilisée. La deuxième phase de ce travail s’est focalisée sur l'étape de formation des bulles de Taylor dans un microréacteur. Ensuite, l'hydrodynamique gaz-liquide a été caractérisée et les effets des coudes sur le mécanisme de transfert de masse ont été étudiés localement dans un canal carré millimétrique ondulé. Enfin, une comparaison rigoureuse a pu être effectuée entre les différentes géométries de canaux (ondulé et droit). Elle a permis de montrer comment et pourquoi une géométrie ondulé permet d’intensifier le transfert de masse gaz-liquide (notamment en terme d’efficacité de transfert). L’ensemble de ces résultats ont conduit à la formulation une loi d'échelle, exprimée en termes de nombres de Sherwood, de Graetz et de Péclet, capable de décrire l'évolution du transfert de matière gaz-liquide en fonction de la position axiale dans le canal et des conditions opératoires mises en œuvre. / Compact Heat-EXchanger reactors (HEX) are an important part of process intensification technology. However, most of the existed research dealing with such type of equipment has been focused on the application of one-phase reactive flows. For gas-liquid reactions, few investigations have been out carried. This thesis aims at locally studying gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles flowing in straight and meandering millimetric channels using a colorimetric method; this is a preliminary step essential before implementing two-phase reactive systems. Firstly, the occurrence of a possible enhancement of the gas-liquid mass transfer by the chemical reaction involved was investigated. Secondly, the gas-liquid mass transfer occurring in Taylor flows right after the bubble formation stage in a microreactor was studied. Thirdly, the gas-liquid hydrodynamics were characterized and the effects of bends on the mass transfer mechanism were locally investigated in a millimetric meandering channel. At last, a rigorous comparison could be made between the meandering and straight channels. It showed how and why the meandering geometry leads to intensify gas-liquid mass transfer. All these findings enabled to formulate a scaling law, expressed in terms of Sherwood, Graetz and Péclet numbers, able to describe the evolution of gas-liquid mass transfer as a function of axial position and operating conditions.

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.