Dispositif expérimental et conditions opératoires

La mesure de la concentration se fait via l’absorbance des ions triiodures, le dispositif expérimental est alors similaire à celui utilisé pour la caractérisation des DTS. Il est composé

d’un spectromètre, d’une source lumineuse et d’une cellule spectrophotométrique placée en sortie de maquette. La longueur d’onde d’absorbance de l’ion triiodure vaut 353 nm, c’est donc la source deutérium, dont la gamme va de 200 à 400 nm, qui est utilisée. Le chemin optique de la cellule de mesure, l, vaut5 mm.

Les maquettes sont alimentées par la solution principale contenant les ions iodures, iodates et borates tandis que l’acide sulfurique circule dans la ligne secondaire. Le tableau IV.1 fournit les concentrations utilisées pour chaque réactif.

Composé Concentration (mol/L)

Acide borique (H3BO3) 1,21·10-2

Soude (NaOH) 6,06·10-3

Iodate de potassium (KIO3) 2,33·10-3 Iodure de potassium (KI) 1,16·10-2 Acide sulfurique (H2SO4) 0,25

Tableau IV.1 : Concentrations des réactifs pour la caractérisation du miromélange.

Une attention particulière doit être portée à l’injection des ions H+. Si le débit d’injection est trop important, il risque de perturber l’écoulement principal, en créant localement des gradients macroscopiques de concentration. Afin de s’assurer de ne caractériser que le micromélange, la courbe d’évolution de l’indice de ségrégation en fonction du rapport de débits entre l’écoulement principal et l’injection est tracée pour chaque système étudié. Lorsqu’il est faible, i.e. lorsque le débit d’acide est important, l’indice de ségrégation est élevé. Les perturbations et les gradients de concentration générés à l’injection ne favorisent pas le mélange intime des réactifs à l’échelle moléculaire, d’où la formation d’iode par la réaction (2). Lorsque le débit d’injection diminue, l’indice de ségrégation atteint un palier, signifiant que le processus n’est alors contrôlé que par le micromélange. La figure IV.1 illustre ces propos :

Figure IV.1 : Influence du rapport de débit sur l’indice de ségrégation (Ferrouillat, 2004).

Le rapport de débits critique est évalué pour chaque condition opératoire (cf. figure IV.2). Les concentrations initiales ne variant pas, seules les géométries peuvent avoir une influence.

Xs

F1/Finj Macromélange et

micromélange Micromélange (F1/Finj)critique

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 R=F1/Finj X s Maquette a Maquette b Maquette c Maquette d

Figure IV.2 : Détermination du rapport de débit critique pour les géométries étudiées (Re=2000).

On constate une relative indépendance des valeurs de Xs aux rapports de débits étudiés. La gamme de ratios testés varie de 300 à 6000, ce qui correspond à des débits d’injection de 48,1 à 2,4 mL·h-1 pour un flux total de 14,5 L·h-1. Le palier semble déjà atteint pour R=300. Les caractérisations du micromélange pourraient donc être réalisées dès cette valeur de rapport de débits. Cependant, les résultats ont été obtenus pour un Reynolds de 2000. Or, on s’attend à ce que le rapport critique tende à se déplacer vers la droite, i.e. vers des valeurs plus importantes lorsque le Reynolds diminue (Ferrouillat, 2004, pp. 136). Sachant

que nous serons amenés à faire varier le Reynolds vers des valeurs plus faibles que 2000, un rapport de débit critique de 3000 a été finalement retenu pour s’assurer de ne pas être perturbé par le macromélange. Dans ses travaux de thèse, Ferrouillat (2004) avait d’ailleurs

sélectionné cette valeur à partir des courbes Xs=f(R) pour un canal vide de diamètre hydraulique égal à 1,9 mm et une gamme de Reynolds variant de 550 à 4500.

Connaissant le rapport de débit critique, il est possible de fixer les conditions opératoires en Reynolds qui seront identiques pour chaque géométrie. Elles sont données dans le tableau IV.2. Débit principal, F1 (L·h-1) Débit d’acide, Finj (mL·h-1) Nombre de Reynolds Vitesse débitante (m·s-1) 2,14 0,72 300 0,15 3,90 1,30 540 0,27 5,76 1,92 800 0,40 10,09 3,37 1400 0,70 Maquette ‘x’ 14,41 4,81 2000 1,00

Tableau IV.2 : Conditions opératoires pour la détermination du niveau de micromélange dans les maquettes. T=25°C ; R=3000.

Les débits d’acide étant très faibles, la ligne d’injection ne peut donc pas être alimentée par le circuit secondaire du banc d’essai dont la gamme de travail de la pompe varie de 0,05 à 5 L·h-1. Elle a été remplacée par un pousse-seringue (Harvard apparatus, modèle PHD 22/2000). La plage de débits disponibles va de 1,5 µL·h-1 à 112 mL·min-1 avec une précision de ± 0,5%.

En plus de l’attention portée au débit d’injection, sa position peut également influer sur le niveau de micromélange. Dans chaque maquette, deux positions ont été testées (nous y reviendrons ci-dessous, figure IV.4).

Les conditions de débit étant fixées, le protocole opératoire est le suivant :

1) Préparation des solutions de réactifs (9 Litres par maquette) : l’acide borique et la soude sont mélangés en premier afin de fixer le pH du milieu. Il permettra d’éviter la dismutation de l’iode par la suite. Ensuite l’iodure et l’iodate de potassium sont ajoutés ;

2) Agitation de la solution thermostatée à 25°C pen dant 2 heures ; 3) Remplissage de la seringue de 10 mL avec l’acide sulfurique ; 4) Allumage du spectromètre et ‘blanc’ sur la luminosité ambiante ; 5) Alimentation de la maquette avec les réactifs (ligne principale) ; 6) Mesure du spectre de référence de la solution de réactifs à 353 nm ; 7) Alimentation en acide sulfurique au débit souhaité (tel que R=3000) ; 8) Enregistrement en ligne de l’absorbance jusqu’à sa stabilisation.

IV.1.1.3 Résultats expérimentaux

Pour comparer le niveau de micromélange entre les maquettes ‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘d’ et ‘e’ (section de passage carrée), l’information sur les indices de ségrégation est suffisante puisque les conditions opératoires en concentrations et en température sont identiques. L’influence de la géométrie, du nombre de Reynolds et de la position de l’injection ont été étudiées. Les perspectives d’amélioration concernant l’utilisation de la méthode iodure-iodate dans les canaux ondulés concluent ce paragraphe, notamment pour envisager la comparaison des performances des maquettes avec celles d’autres technologies.

La position de l’injection de l’acide sulfurique est située soit dans la courbure soit le long d’une longueur droite à égale distance entre deux coudes. Dans les deux cas elle est perpendiculaire au plan des canaux. Les deux positions sont représentées sur la figure IV.3.

Figure IV.3 : Représentation 3D de la maquette ‘c’ et des deux injections, l’une dans le coude (flèche rose) et l’autre dans la longueur droite (flèche verte).

La figure IV.4 représente l’évolution de l’indice de ségrégation, Xs, en fonction du nombre de Reynolds lorsque l’injection est située au niveau de la longueur droite.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Nombre de Reynolds X s Maquette a Maquette c Maquette d Maquette e

Figure IV.4 : Evolution de Xs en fonction du Reynolds lorsque l’injection est au niveau de la longueur

droite - R=3000.

A l’incertitude expérimentale près, les points sont superposés quelle que soit la géométrie. Du fait de la position de l’injection, seule la longueur droite est concernée et le niveau de micromélange est figé avant d’arriver au coude situé en aval. Comme les sections de

passage sont identiques, il n’y a donc aucune différence entre les maquettes. En revanche, on peut noter l’influence du nombre de Reynolds sur l’indice de ségrégation. Lorsqu’il augmente, i.e. lorsque la vitesse débitante augmente, le niveau de turbulence est plus important engendrant un meilleur micromélange (décroissance de Xs).

Nous avons ensuite étudié la seconde position d’injection, à savoir dans le coude conformément au schéma de la figure IV.3. Les résultats sont portés sur la figure suivante (Fig. IV.5). 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 500 1000 1500 2000 2500 Nombre de Reynolds X s 'Maquette 'b 'Maquette 'c 'Maquette 'd

Injection dans la longueur droite

Figure IV.5 : Evolution de l’indice de ségrégation en fonction du Reynolds lorsque l’injection est dans le coude – R=3000.

Deux observations principales peuvent être faites : - Influence de la position d’injection ;

- Influence de la géométrie des maquettes.

Lorsque l’injection se fait dans les courbures, on s’attend à une intensité de mélange plus importante, contribuant à une amélioration du micromélange, ce que montre la figure IV.5 en comparaison avec la figure IV.4. Le fait d’injecter dans le coude induit une diminution de l’indice de ségrégation jusqu’à 50%.

Les points expérimentaux des maquettes ‘c’ et ‘d’ sont quasiment superposés. Or ces deux géométries ne diffèrent que par la longueur droite entre deux coudes, ce paramètre semble donc ne pas avoir d’influence sur le micromélange. En revanche, la comparaison des courbes des maquettes ‘b’ et ‘c’ démontre l’influence de la géométrie des coudes et dans ce cas de l’angle du coude. Lorsque celui-ci augmente de 45° à 75°, le micromélange est moins performant, se traduisant par une augmentation de l’indice de ségrégation (x 1,5).