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Rita BRANCO
Laboratoire de Génie Chimique (LGC) CNRS UMR 5503
La danse des particules : la science du mélange
Au cours des dernières années, l’application des technologies de production continue dans des industries telles que la pharmacie, la biochimie et l’agroalimentaire a suscité un intérêt croissant en raison de leur potentiel à améliorer la productivité, la sélectivité, l’efficacité énergétique et le contrôle des procédés. Les réacteurs continus à chicanes oscillatoires (COBR) sont considérés comme des alternatives viables aux conceptions de réacteurs conventionnels. Dans ces réacteurs, l’interaction entre le flux oscillatoire et les chicanes espacées périodiquement génère des tourbillons, de la turbulence locale et un mélange radial intense, garantissant un mélange homogène et un transfert de masse efficace dans des géométries compactes.
Malgré leur application répandue, les COBR présentent encore des limitations, en particulier dans les systèmes solide-liquide. Des concentrations élevées de solides peuvent limiter la propagation du flux oscillatoire, compromettant ainsi les performances de mélange. De plus, les réacteurs avec des canaux étroits sont sujets au colmatage, ce qui complique le traitement de systèmes multiphasiques complexes. Les mécanismes fondamentaux qui contrôlent la suspension des particules, comme le rôle des tourbillons, les fluctuations de vitesse et la turbulence, restent mal compris. Par ailleurs, la relation entre les conditions opératoires et les propriétés finales des produits repose encore largement sur des corrélations empiriques, soulignant la nécessité d’une compréhension plus approfondie et fondamentale de ces interactions.
Pour commencer à répondre aux questions et objectifs posés dans cette thèse, une étude a été développée pour analyser la suspension des particules dans un COBR NiTech®. Cette étude s’est concentrée sur l’évaluation des effets de la fréquence, de l’amplitude et du débit net sur les comportements de suspension des particules. L’objectif principal était d’établir des cartes de régimes d’écoulement basées sur des paramètres opérationnels et d’examiner l’influence des fractions volumiques de particules sur les conditions nécessaires pour atteindre et maintenir la suspension.
Cette étude a permis de conclure que, dans les conditions testées où le système était composé d’eau et de particules de PVC, la suspension ne dépend pas du nombre de Reynolds du débit net. Trois régimes ont été identifiés sur les cartes de flux : dans le régime de lit stationnaire, les particules restent immobiles au fond du réacteur ; dans le régime de lit mobile, les particules forment une couche compacte qui se déplace le long de la base du réacteur ; dans le régime de suspension complète, les particules sont uniformément réparties dans le flux. Des lignes de transition ont été tracées entre ces régimes, où la vitesse oscillatoire est restée constante le long de chaque ligne. Cela a permis de définir deux vitesses critiques : la vitesse minimale requise pour déplacer les particules et la vitesse minimale nécessaire pour atteindre une suspension complète.
Bien que les conditions nécessaires pour maintenir la suspension d’une concentration donnée de particules soient bien comprises, le régime d’écoulement dans le réacteur reste incertain. Il n’est toujours pas clair si l’écoulement fonctionne dans un régime laminaire, transitionnel ou turbulent, ou quels phénomènes gouvernent la suspension des particules — s’il s’agit des tourbillons générés par le flux oscillatoire ou des fluctuations de vitesse.
Pour répondre à ces questions, une étude de vélocimétrie par image de particules (PIV) est en cours. Cette étude vise à caractériser les régimes d’écoulement dans le COBR et à comprendre la dynamique du système solide-liquide. La PIV fournit des mesures détaillées des champs de
vitesse, permettant d’identifier les structures cohérentes et d’évaluer les fluctuations de vitesse. L’étude est divisée en deux étapes : une analyse des écoulements monophasiques pour établir une base des dynamiques de flux, et une analyse des écoulements multiphasiques pour étudier les interactions fluide-particules et les mécanismes de suspension.
Dans la prochaine phase, des particules solides seront ajoutées en complément des particules PIV afin d’évaluer comment leur présence influence le type de régime d’écoulement et la dynamique du système. Cette approche permettra d’analyser comment la concentration, la taille et la densité des particules interagissent avec le flux pour modifier son comportement, soit en modifiant la structure du flux, en introduisant une turbulence supplémentaire, ou en affectant l’équilibre entre les forces inertielles et visqueuses. En combinant la PIV avec l’analyse par décomposition orthogonale propre (POD), ce travail cherche à identifier les structures de flux dominantes et à clarifier leur rôle dans la suspension des particules. Les résultats devraient permettre de mieux comprendre comment les particules solides influencent les régimes d’écoulement et fournir des informations pour optimiser les performances des réacteurs dans des systèmes multiphasiques complexes.
Ces travaux sont réalisés dans le cadre d’une thèse intitulée « Mécanismes de mise en suspension et interactions solide-liquide dans des réacteurs continus à flux oscillatoire » financée par INP Toulouse et encadrée par Joelle AUBIN et Martine POUX.