L'étude des phénomènes fondamentaux de
transport et de thermodynamique apparaissant lors de l'évaporation
en milieu poreux permet l'investigation d'applications pratiques
variées. Dans ce travail, nous développons des modèles fondamentaux
d'évaporation en milieu poreux que nous appliquons ensuite au
séchage en lit fluidisé de deux matériaux granulaires poreux : le
PVC et la levure.
Les modèles mis au point sont réalisés suivant une approche
multiéchelle. Nous nous intéressons tout d'abord aux phénomènes se
déroulant à l'échelle d'un pore. Les modèles développés à cette
échelle sont ensuite exploités dans le cadre d'une étude à l'échelle
d'un grain poreux. Le couplage des modèles de grain avec un modèle à
l'échelle du réacteur permet alors l'étude des applications
industrielles.
A l'échelle du pore, nous étudions les phénomènes de transport dans
un capillaire initialement rempli de liquide qui s'évapore vers
l'atmosphère ambiante. L'objectif est de prédire le taux
d'évaporation dans cette configuration. Nous nous intéressons
successivement à la modélisation du transport de matière par
convection-diffusion en phase gazeuse et la modélisation de l'impact
de films liquides adsorbés à la paroi du capillaire sur le transport
de matière. Ces deux modèles sont confrontés à des expériences
d'évaporation en capillaires cylindriques visualisées à l'aide de
deux dispositifs optiques. Le premier offre un suivi d'ensemble au
cours du temps du capillaire, alors que le second, un interféromètre
de Mach-Zehnder, permet une visualisation locale de la région
entourant le ménisque.
Le modèle portant sur le transport de matière par
convection-diffusion mène à la définition d'un critère non
dimensionnel permettant d'évaluer si la convection dans la phase
gazeuse dans le capillaire doit être prise en compte pour évaluer le
taux d'évaporation. Le modèle de film permet de prédire l'impact de
celui-ci sur l'évaporation en présence d'un gaz inerte lorsque les
mouvements convectifs en phase gazeuse sont négligeables. La
confrontation de ce modèle avec les profils d'épaisseur des films
obtenus à l'aide de interféromètre de Mach-Zehnder ne permet pas de
valider le modèle, et ce, suite à une trop grande incertitude sur
l'évaluation des interactions entre la paroi et le liquide.
A l'échelle d'un grain, nous développons un modèle discret par
réseau de pores et deux modèles continus pour tenter de prédire le
taux d'évaporation et la distribution des phases dans le milieu
poreux. Le modèle par réseau de pores prend en compte les transports
de matière par diffusion en phase gazeuse, par convection dans les
pores remplis de liquide et par convection dans les films liquides.
Les effets visqueux en phase liquide sont également modelisés. Pour
la prise en compte de ces derniers, nous montrons l'importance de
l'usage d'un algorithme approprié. Nous évaluons ensuite au travers
de trois nombres sans dimensions l'impact du transport par film et
des effets visqueux sur l'évaporation et la distribution des phases.
Cette analyse dimensionnelle est ensuite appliquée à l'étude de
réseaux de pores pour lesquels la section des liaisons les
constituant est idéalisée par des polygones réguliers. Pour les
modèles continus après une vérification simplifiée de
l'applicabilité de cette démarche, nous développons deux modèles
simples. Dans les deux modèles, l'étape de séchage à vitesse
constante est supposée limitée par le transport de matière externe
au grain. Le premier modèle, dit à front pénétrant, suppose que
l'étape de séchage à vitesse décroissante correspond à l'existence
d'un front d'évaporation qui s'enfonce dans la matrice poreuse. Le
second modèle, dit à surface d'échange variable, attribue cette même
étape du séchage à une diminution progressive de la surface
d'évaporation en surface du grain.
A l'échelle du réacteur, nous présentons deux modèles visant à
simuler deux types d'essais différents : le séchage en lit fluidisé
et la thermogravimétrie analytique. Ces deux modèles sont couplés
aux différents modèles à l'échelle de grain pour étudier le séchage
de PVC et de levure tant en lit fluidisé que lors des essais de
thermogravimétrie analytique.
Dans le cas du PVC, le modèle par réseau de pores ne peut pas être
appliqué de par la nécessité d'une trop grande puissance de calcul.
Au niveau des modèles continus, nous montrons que l'application du
modèle à surface d'échange variable permet de reproduire les courbes
de séchage expérimentales des essais en lit fluidisé.
Dans le cas de la levure, nous appliquons le modèle par réseau de
pores et le modèle à front pénétrant. L'utilisation du modèle par
réseau de pores nécessite une connaissance plus détaillée de la
structure poreuse des grains. Le traitement d'une analyse par
microtomographie nous permet d'obtenir un réseau de pores
expérimental. Celui-ci est utilisé pour montrer que la méthode de
caractérisation de la porosité par intrusion de mercure ne semble
pas adaptée à un matériau deformable comme la levure. Le même réseau
est utilisé pour simuler le séchage de grains de levure à l'aide du
modèle par réseau de pores. Les simulations sont réalisées sur des
réseaux équivalents à des coupes dans le solide. Le modèle par
réseau de pores et le modèle à front pénétrant permettent tous deux
de modéliser correctement le séchage de levure en lit fluidisé
moyennant l'ajustement de leurs paramètres ajustables,
respectivement la conductibilité des films liquide et la tortuosité.
Pour l'essai de thermogravimétrie, ils ne parviennent à approcher
que la première étape de celui-ci. Les avantages, défauts et
complémentarités de ces deux modèles sont discutés.
Nous évaluons ensuite l'impact du rétrécissement de la levure et des
types d'eau sur le séchage de ce matériau. Le rétrécissement est,
pour ce faire, mesuré à l'aide d'un stéréomicroscope. Ces premières
mesures, exploratoires, mènent à la définition d'un modèle empirique
de retrait du solide au cours de son séchage. En le prenant en
compte dans les modèles déjà appliqués à la levure, nous montrons
que le retrait a un impact significatif sur l'étape de séchage à
vitesse décroissante. Cet impact
peut cependant être masqué intégralement par la réévaluation
des paramètres ajustables des différents modèles. Finalement,
l'étude des types d'eau au travers d'un modèle simple appliqué à
l'essai de thermogravimétrie analytique montre que les types d'eau
ne doivent pas être pris en compte pour modéliser le séchage de
levure.
A l'issue de ce travail, nous disposons donc de modèles fondamentaux
d'évaporation en milieu poreux. Ceux-ci peuvent être appliqués à des
cas d'intérêt industriel, comme nous le réalisons pour le PVC et la
levure. Ils peuvent servir à améliorer la
compréhension de ces procédés. Ils représentent donc des
outils de choix pour la conception, le dimensionnement et
l'optimisation du séchage.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:BICfB/oai:ulb.ac.be:ETDULB:ULBetd-07102008-100641 |
| Date | 11 July 2008 |
| Creators | Debaste, Frédéric |
| Contributors | Buchlin, Jean-Marie, Halloin, Véronique, Colinet, PIerre, Crine, Michel, Metzger, Thomas, Kegelaers, Yves |
| Publisher | Universite Libre de Bruxelles |
| Source Sets | Bibliothèque interuniversitaire de la Communauté française de Belgique |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | text |
| Format | application/pdf |
| Source | http://theses.ulb.ac.be/ETD-db/collection/available/ULBetd-07102008-100641/ |
| Rights | unrestricted, J'accepte que le texte de la thèse (ci-après l'oeuvre), sous réserve des parties couvertes par la confidentialité, soit publié dans le recueil électronique des thèses ULB. A cette fin, je donne licence à ULB : - le droit de fixer et de reproduire l'oeuvre sur support électronique : logiciel ETD/db - le droit de communiquer l'oeuvre au public Cette licence, gratuite et non exclusive, est valable pour toute la durée de la propriété littéraire et artistique, y compris ses éventuelles prolongations, et pour le monde entier. Je conserve tous les autres droits pour la reproduction et la communication de la thèse, ainsi que le droit de l'utiliser dans de futurs travaux. Je certifie avoir obtenu, conformément à la législation sur le droit d'auteur et aux exigences du droit à l'image, toutes les autorisations nécessaires à la reproduction dans ma thèse d'images, de textes, et/ou de toute oeuvre protégés par le droit d'auteur, et avoir obtenu les autorisations nécessaires à leur communication à des tiers. Au cas où un tiers est titulaire d'un droit de propriété intellectuelle sur tout ou partie de ma thèse, je certifie avoir obtenu son autorisation écrite pour l'exercice des droits mentionnés ci-dessus. |
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