Micro-r´eacteurs `a dispersion de phase

Les micro-r´eacteurs `a dispersion de phase sont g´en´eralement compos´es d’un syst`eme

d’alimentation permettant la dispersion d’une phase dans l’eau et de micro-canaux. Ces

dispositifs destin´es au m´elange ont ´et´e d´evelopp´es pour mettre en contact deux fluides

immiscibles afin de produire des dispersions sur des ´echelles de taille inf´erieures au

mil-lim`etre. Ils sont par exemple utilis´es pour r´ealiser des r´eactions en phase liquide

(cataly-tiques et non-cataly(cataly-tiques) ou en phase gazeuse (oxydation, hydrog´enation) [30].

Plusieurs principes de m´elange peuvent ˆetre appliqu´es (figure 2.9) [31] :

– la lamination en parall`ele permet de diviser les deux flux d’entr´ee en multiples

flux qui se recombineront deux `a deux dans une seule sortie. On produit ainsi un

arrangement de couches de tr`es faible ´epaisseur qui permettent une diffusion rapide.

– la lamination en s´erie (aussi appel´ee ≪ split-and-recombine≫) est bas´ee sur la

r´ep´etition d’une mˆeme s´equence qui consiste en la division du flux central en deux

flux secondaires qui sont recombin´es par la suite.

– l’injection de nombreux flux d’une phase dans l’autre permet aussi le m´elange ou

Entrée

gaz

Sortie

gaz

Joint

Maillage

Joint

Sortie

liquide

Entrée

liquide

Figure 2.9 – Sch´ema des diff´erents principes de m´elange possibles. Source : IMM.

Ces principes sont appliqu´es pour la conception de diff´erentes technologies de

micro-m´elangeurs. Les micro-m´elangeurs avec jonction en T, en Y ou≪flow-focusing≫utilisent

le principe de lamination parall`ele pour m´elanger deux fluides miscibles mais sont aussi

efficaces pour r´ealiser des dispersions. Ils peuvent servir `a r´ealiser des ´emulsions dont les

propri´et´es sont bien contrˆol´ees [32]. En tant que contacteurs gaz-liquide, on les trouve

souvent coupl´es `a un micro-canal qui sert `a prolonger le temps de contact entre les phases.

Le principe de lamination en s´erie est appliqu´e dans les micro-m´elangeurs Caterpillar et

StarLaminator produits par l’Institut f¨ur Mikrotechnik Mainz.

Micro-canal

Les ´ecoulements en micro-canaux sont r´egis par des ph´enom`enes diff´erents des ´ecoulements

en conduites de taille macroscopique. Premi`erement, l’importance des forces de surface

vis-`a-vis des forces volumiques augmente de mani`ere significative. Deuxi`emement, les

nombres de Reynolds sont g´en´eralement faibles et le r´egime est le plus souvent laminaire

(les forces visqueuses l’emportant sur les forces inertielles). Enfin, les ph´enom`enes li´es

aux parois du canal ne sont plus n´egligeables et leur texture et mouillabilit´e influe sur

l’´ecoulement.

Des observations visuelles ont montr´e que les ´ecoulements diphasiques en

micro-canaux prennent des formes similaires `a celles des mˆemes ´ecoulements observ´es en

macro-canaux. Comme on l’a ´evoqu´e plus haut, les transitions entre les diff´erents r´egimes

d’´ecoulement sont tributaires des propri´et´es physico-chimiques du syst`eme. On peut

ce-pendant repr´esenter un sch´ema global dans un espace dont les axes sont les vitesses de

chacune des phases (figure 2.10).

UL

UG

Régime dominé

par les forces de

tension de surface

Régime

intermédiaire ^{Régime dominé} par les forces inertielles

Figure 2.10 – Carte des ´ecoulements gaz-liquide en micro-canal. [25]

A faible d´ebit de gaz, ce sont les forces de tension de surface qui sont pr´epond´erantes.

Lorsque la vitesse du liquide est significativement plus ´elev´ee que celle du gaz un ´ecoulement

dit ≪`a bulles ≫ (≪bubbly flow ≫) se forme. On y observe des bulles de gaz de taille

inf´erieure aux dimensions du canal. A param`etres fix´es, c’est la forme de l’injecteur de

gaz qui d´ecide de la taille des bulles. Lorsque les deux d´ebits sont faibles, on observe

un ´ecoulement `a bouchons dit ≪de Taylor≫ (aussi appel´e ≪slug flow ≫ ou ≪

intermit-tent flow ≫) qui se caract´erise par l’alternance de bulles allong´ees de diam`etre ´equivalent

sup´erieur aux dimensions du canal et de ”bouchons” de liquide. La disposition des deux

phases implique que la dispersion axiale est faible.

En augmentant la vitesse du gaz par rapport `a celle du liquide, l’augmentation de la

fraction de gaz conduit `a la coalescence des bulles dans un r´egime qualifi´e de≪

bouchon-annulaire≫ (≪Taylor-annular flow ≫). Le centre du canal est alors occup´e par le gaz

tandis qu’un film liquide d’amplitude variable se d´eplace contre les parois. Lorsque la

vitesse du gaz est tr`es sup´erieure `a celle du liquide, ce r´egime se stabilise pour devenir

purement annulaire. Lorsque les deux d´ebits sont importants, l’interface gaz-liquide est

perturb´ee et de petites bulles de gaz se forment dans le liquide. L’´ecoulement est alors

qualifi´e d’h´et´erog`ene (≪churn flow ≫ en anglais).

Parmi ces diff´erents r´egimes c’est l’´ecoulement annulaire qui g´en`ere l’aire interfaciale la

plus importante. Cependant, c’est le r´egime de Taylor qui a ´et´e le plus ´etudi´e, notamment

parce qu’il permet la plus grande variation des conditions op´eratoires (voir figure 2.10).

transfert de matière

L_B L_S

U_B

Figure 2.11 – Repr´esentation sch´ematique du transfert de mati`ere en ´ecoulement de

Taylor.

Les param`etres influant sur le transfert de mati`ere sont (figure 2.11) :

– l’hydrodynamique dans la phase liquide

– la forme, la taille (LB) et la vitesse des bulles (UB)

– la taille des bouchons liquides (LS) et l’´epaisseur du film liquide `a la paroi (δ).

Les d´ebits ´etant faibles, l’´ecoulement est majoritairement laminaire, ce qui est `a

priori un frein au transfert de mati`ere. Cependant, si la dispersion axiale est fortement

d´efavoris´ee `a cause de la pr´esence de bulles, le m´elange radial n’est pas n´egligeable.

G¨untheret al. [33] ont utilit´e laµ-PIV pour ´etudier le m´elange dans les bouchons liquides

d’un ´ecoulement ´ethanol-air en micro-canal. Ils observent une recirculation importante

qui peut ˆetre am´elior´ee en imposant des m´eandres sur le parcours de l’´ecoulement. Ce

mouvement au sein de la phase liquide a une influence sur le transfert de mati`ere puisqu’il

contribue au renouvellement de l’interface gaz-liquide.

Lorsque les bulles se d´eplacement lentement, la r´epartition des phases dans le canal est

r´egie par la tension interfaciale. Les extr´emit´es des bulles sont alors quasi-h´emisph´eriques.

Lorsque le d´ebit de gaz augmente, l’´epaisseur du film `a la paroi augmente et la bulle se

d´eforme. La longueur des bulles et des bouchons de liquide d´epend surtout des conditions

d’entr´ee dans le canal car l’importance des forces de tension de surface permet d’´eviter

les ph´enom`enes de coalescence ou la rupture [28].

La quantification du transfert de mati`ere passe souvent par l’expression du

coeffi-cient volum´etrique de transfert kLa. Bercic et Pintar [34] ont d´etermin´e un coefficient

global pour l’absorption du m´ethane dans l’eau en ´ecoulement de Taylor et d´evelopp´e

une corr´elation qui donne des valeurs de l’ordre de 0,25s−1. La plupart des autres ´etudes

consid`erent des contributions s´epar´ees de la part des extr´emit´es des bulles en contact

avec les bouchons de liquide et du corps de la bulle en contact avec le film. C’est la partie

en contact avec le film qui produit l’aire interfaciale la plus importante (d`es lors que la

longueur de la bulle est sup´erieure au diam`etre du canal). L’´epaisseur du film ´etant faible,

la concentration de saturation est rapidement atteinte. Pohorecki et al. [35] pr´econisent

que le crit`ere suivant doit ˆetre respect´e pour ´eviter ce ph´enom`ene :

LB

U_B ^<<

δ2

D ^(2.26)

o`u D est la diffusivit´e du gaz dans le liquide dans le cas d’une absorption physique et la

diffusivit´e du co-r´eactif dans le cas d’une absorption chimique avec r´eaction instantan´ee.

Yue et al. [36] ont ´etudi´e l’absorption du dioxyde de carbone dans un micro-canal.

Pour l’absorption physique, ils ont observ´e que le coefficient volum´etrique de transfert

k_La augmente avec les d´ebits dans les deux r´egimes ´etudi´es : Taylor et annulaire et ont

d´evelopp´e une corr´elation du nombre de Sherwood en fonction deReG,ReL etScL dans

ces deux cas. Par absorption chimique dans un tampon de carbonates, ils ont trouv´e une

tendance identique et une valeur de k_La l´eg`erement plus faible `a cause de la plus faible

diffusivit´e du CO2 dans le tampon. L’absorption de CO2 dans une solution de soude a

permis de d´eterminer l’aire interfaciale et de montrer qu’elle augmente avec le d´ebit de

gaz via l’augmentation de la longueur des bulles. La valeur de k_L d´eduite par division

augmente avec le d´ebit de liquide.

La figure 2.12 positionne les capacit´es des micro-canaux en terme de kLa et a par

rapport `a des contacteurs gaz-liquide plus conventionnels.

Micro-canal

Mélangeur statique

Venturi

Canal

Colonne à garnissage

Cuve agitée

Colonne à bulle

Réacteur à écoulement Taylor-Couette

Micro-canal

Venturi

Canal

Cuve agitée

Colonne à garnissage

Réacteur à écoulement Taylor-Couette

Mélangeur statique

Colonne à bulle

kLa (s-1)

a (m-1)

Typ

e

de

co

nt

act

eu

r g

az-liq

ui

de

Figure 2.12 – Coefficient volum´etrique de transfert de mati`ere k_La (en haut) et aire

interfaciale a (en bas) pour diff´erents types de contacteurs gaz-liquide [37].

Dans le document Valorisation du biogaz par purification et par reformage (Page 33-39)