Inserts tridimensionnels

L’intensification du transfert de chaleur dans les échangeurs à plaques et ailettes a fait l’objet de nombreuses études dans la littérature (Shah & Mueller, 2002 ; Thonon & Tochon, 2004). Leur utilisation en tant qu’échangeur/réacteur est moins répandue et plus

récente. Ainsi, Murata et al. (1996) ont comparé les performances d’un réacteur à lit fixe

avec un échangeur/réacteur à tubes et calandre puis à ailettes pour une application type stockage thermochimique et pompe à chaleur. La réaction endothermique réversible de déshydrogénation du cyclohexane dans l’échangeur/réacteur a donc été mise en oeuvre (cf. figure I.10).

Figure I.10: Pompe à chaleur chimique mettant en jeu la déshydrogénation du cyclohexane (endothermique) et l’hydrogénation du benzène (exothermique) ; (Murata et al, 1996).

Une autre application concerne les piles à combustible. Plusieurs travaux (Dudfield et al, 2001 ; Pan & Wang, 2005) ont été menés pour coupler le reformage à la vapeur du méthanol

(réaction endothermique) avec la combustion catalytique de l’hydrogène (réaction exothermique) dans le même appareil. Pan & Wang (2005) ont travaillé avec des ailettes

perforées (cf. figure I.11) permettant ainsi un gain de volume conséquent et une température de travail parfaitement contrôlée ; ces deux paramètres étant des contraintes importantes dans les piles à combustible.

Figure I.11: Ailettes perforées pour le reformage du méthanol (Pan & Wang, 2005).

Le transport et la diffusion des perturbations locales de l’écoulement créées au niveau de chaque ailette permettent de générer de la turbulence dans l’échangeur/réacteur. Cette caractéristique permet d’intensifier les transferts de chaleur mais ce n’est pas suffisant pour mettre en œuvre une réaction. Ainsi, Ferrouillat et al. (2006a), ont étudié les propriétés de

mélange des échangeurs/réacteurs à ailettes à pas décalés (cf. figure I.12) et les ont comparées avec celles d’un canal vide ordinaire.

Endothermic reactor Exothermic reactor C6H6 + H2 C6H1 C6H6 + H2 C6H1 Works Waste heat Solar energy

Figure I.12: Vue schématique des ailettes à pas décalés

Lorsque les cinétiques de réaction sont très rapides voire instantanées, la qualité du micromélange est importante puisque c’est le facteur limitant du processus de transformation chimique. Lorsque le temps de séjour est fixé, Ferrouillat et al. (2006a) ont montré que les

ailettes permettaient de réduire le temps de micromélange. Cependant, elles requièrent une puissance de pompage plus importante que le canal vide et il faudra donc faire un compromis entre niveau de micromélange requis, compacité de l’appareil et pertes de charge acceptables lors de la conception de l’échangeur/réacteur.

b. Les mousses métalliques

Les mousses métalliques (figure I.13) ont beaucoup été étudiées en tant qu’échangeur de chaleur (Boomsma et al, 2003 ; Pavel & Mohamad, 2004) ou en tant que

support catalytique dans le cas de réactions endo- ou exothermiques, le plus souvent pour le reformage à la vapeur du méthanol (Giani et al, 2008 ; Chen et al, 2008, Ismagilov et al, 2001) ou pour des hydrogénations (Dhiman et al, 2005).

Figure I.13: Photographies de mousses métalliques.

Elles présentent de nombreux avantages par rapport aux catalyseurs classiques (Twigg & Richardson, 2007) : les pertes de charge sont moins élevées que dans les lits fixes

traditionnels, les surfaces spécifiques sont plus grandes et leur géométrie isotrope permet une homogénéisation radiale de l’écoulement et notamment des températures.

Cette dernière caractéristique est intéressante pour mettre en œuvre des réactions car le comportement piston de l’écoulement en dépend. Il en est de même pour l’efficacité des transferts de chaleur et de matière (Abbana Benani, 2008).

En vue donc d’une application en tant qu’échangeur/réacteur, Ferrouillat et al. (2006a) ont

étudié le micromélange dans les mousses métalliques. Pour un temps de séjour donné, elles génèrent le temps de micromélange le plus faible en comparaison des ailettes à pas décalés et du tube vide. Cette intensification du mélange et le gain en compacité qu’elles représentent se font cependant au détriment des pertes de charge.

Ainsi malgré leur grande compétitivité en tant qu’échangeur/réacteurs catalytiques, les fortes puissances de pompage requises ainsi que la possibilité d’encrassement des mousses métalliques semblent défavoriser cette technologie par rapport à des inserts plus traditionnels (Twigg & Richardson, 2007).

c. Mélangeurs de type HEV

Ce type d’insert est fabriqué en pliant ou en emboutissant la paroi d’une plaque ou d’un canal. Il s’agit d’ailerons, rectangulaires ou triangulaires, placés au sein de l’écoulement (cf. figure I.14).

Figure I.14: Générateurs de vortex les plus communs. Ils peuvent être associés par paire (Jacobi & Shah, 1995).

Lorsque l’écoulement rencontre ces structures, des vortex longitudinaux sont générés perpendiculairement à la direction de l’écoulement principal. Ils permettent une meilleure homogénéisation de l’écoulement augmentant ainsi les capacités de transfert thermique de l’appareil et abaissant la transition entre régime laminaire et régime turbulent (Tiggelbeck et al, 1994 ; Biswas et al, 1994 ; Jacobi & Shah, 1995 ; Fiebig, 1998). Ainsi, à même débit, pour

une perte de charge et une quantité de chaleur données, la surface nécessaire pour transférer totalement la chaleur sera moins importante dans le cas des mélangeurs de type HEV que dans les géométries à ailettes (ailettes à pas décalés, ailettes perforées,…). Cependant, Jacobi & Shah (1995) ont relevé un certain nombre de lacunes concernant

l’étude de cette technologie. Peu de données expérimentales existent quant à l’utilisation de ces inserts dans un échangeur global, la plupart des études ayant été réalisées sur seulement deux ou trois rangées d’ailerons. Il est donc difficile d’établir une comparaison poussée avec les échangeurs compacts déjà industrialisés. Enfin, leur comportement vis-à- vis de l’encrassement est encore peu connu.

Delta wing Rectangular wing Delta winglet Rectangular winglet

Plus récemment et dans le but d’utiliser cette technologie dans des échangeurs/réacteurs, trois études ont été menées pour caractériser les propriétés de mélange d’un écoulement homogène (Ferrouillat et al, 2006c ; Mokrani et al, 2009) et la dispersion d’un mélange

huile/eau circulant dans un tube muni de mélangeurs de type HEV (Lemenand et al, 2005).

Les résultats expérimentaux et numériques ont confirmé les études antérieures sur le transfert de chaleur et ont montré que les mélangeurs de type HEV amélioraient le transfert de matière. Les écoulements secondaires générés par les ailerons favorisent la distribution radiale de la quantité de mouvement et augmentent l’intensité de la turbulence de 5 à 17% après une certaine longueur d’établissement correspondant à trois rangées d’ailerons. Ces résultats sont encourageants pour la mise en œuvre de réactions chimiques. Cependant, des caractérisations supplémentaires sont nécessaires, notamment pour la distribution du temps de séjour car Mokrani et al. (2009) ont observé que les profils radiaux de dissipation énergétique n’étaient pas parfaitement homogènes.

Une des applications intéressantes de cette technologie concerne la dispersion liquide/liquide. La distribution de taille pour un système huile/eau peut être prédite et la comparaison énergétique avec des mélangeurs statiques classiques est intéressante. Pour une aire interfaciale de 1000 m2·m-3, la consommation énergétique des ailerons est divisée par 1000 (cf. figure I.15).

Figure I.15: Comparaison du coût énergétique entre générateurs de vortex et mélangeurs statiques (Lemenand et al., 2005).

Afin d’envisager une utilisation à plus grande échelle de cette technologie, d’autres systèmes diphasiques doivent être caractérisés, notamment lorsque des solides interviennent afin de tester la résistance à l’encrassement des ailerons. De plus, il faut s’assurer que l’homogénéisation radiale de la dispersion est effective pour ne pas avoir de zones d’accumulations des réactifs en cas de synthèse chimique.