Numerical and Experimental Investigation of Liquid and Gas/Liquid Flows in Stirred Tank Reactors

Les réacteurs à cuve agitée (STR) sont couramment utilisés dans les industries pétrolières, chimiques, biochimiques, pétrochimiques, minières et métallurgiques. De nos jours, ralenties par des facteurs et des barrières tant économiques qu'environnementaux, ces industries sont ardemment à la recherche de procédés efficaces et fiables permettant de minimiser le gaspillage d'énergie et de matières premières ainsi que la production de sous-produits indésirables et nocifs. De fait, la recherche de lignes directrices pour la mise à l'échelle de tels procédés, du laboratoire à l'échelle industrielle, est devenue une tâche indispensable pour les ingénieurs des procédés. Les procédures classiques de conception et de mise à l'échelle des STR supposent que les paramètres hydrodynamiques sont constants à travers le réacteur (hypothèse du “mélange parfait”). Cette hypothèse est assez simpliste et sans doute abusive, particulièrement pour les STR de grands volumes. Il est reconnu que la conception et la mise à l'échelle d'équipements de procédé peuvent difficilement être couronnées de succès sans la prise en compte de l'hydrodynamique locale. Une compréhension de l'hydrodynamique et du mélange est donc essentielle pour la conception et la mise à l'échelle précises des STR. L'objectif général de cette étude a par conséquent été d'améliorer la compréhension de l'hydrodynamique à l'intérieur des STR et d'aider la conception et la mise à l'échelle de tels systèmes. Pour atteindre cet objectif, une combinaison judicieuse de divers outils de conception incluant la modélisation compartimentale (CM), la mécanique des fluides numérique (CFD) et la mécanique des fluides expérimentale (EFD) a été utilisée. Comme le taux de dissipation de l'énergie cinétique de turbulence () affecte de façon importante la performance des STR, la première partie de cette thèse a été consacrée aux effets des conditions opératoires et de la mise à l'échelle sur la distribution de  dans les STR. Les résultats de simulations CFD monophasiques par la méthode des volumes finis sur des STR équipés d'une turbine Rushton (RT) ont été utilisés pour déterminer les paramètres d'un modèle à deux zones compartimentales qui y décrit l'inhomogénéité de la turbulence. Une méthode améliorée a été proposée pour trouver la frontière entre deux régions caractéristiques. A l'aide de cette méthode, les effets de divers critères classiques de mise à échelle ont été étudiés. Il a été observé que la distribution de  et, en conséquence, les paramètres du modèle compartimental changent considérablement lorsque les critères classiques de mise à l'échelle ont été suivis. Par la suite, la méthode non-intrusive dite du suivi de particules radioactives (RPT) a été utilisée pour une analyse exhaustive de l'écoulement parfaitement turbulent du fluide dans un STR de laboratoire équipé d'une turbine RT ou d'une turbine à pales inclinées (PBT). Cette étude couvre les descriptions eulérienne et lagrangienne du mouvement du fluide. Les mesures RPT du champ d'écoulement turbulent dans un STR agité par une turbine RT ont été comparées à des mesures laser et à des résultats de simulations CFD de modèles de turbulence basés sur une méthode de RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Un bon accord a été trouvé entre toutes les méthodes pour les profils de vitesse moyenne tridimensionnelle prédits et mesurés en tous points du STR. La technique RPT a été utilisée pour la première fois pour mesurer le champ d'écoulement turbulent dans une cuve agitée par une turbine PBT. Deux indices de mélange, un basé sur le concept d'indépendance stochastique et l'autre sur le concept statistique de perte de mémoire dans les procédés de mélange, ont été utilisés pour mesurer le temps de mélange à l'aide des données RPT. Cette étude montre que la technique RPT s'avère très prometteuse pour étudier les écoulements turbulents et les caractéristiques du mélange dans les STR, ainsi que pour évaluer la validité des modèles numériques. La RPT a aussi été utilisée pour valider un modèle CFD simulant les écoulements turbulents monophasiques. Les résultats de ce modèle ont été utilisés comme une condition initiale pour des simulations CFD plus complexes d'écoulement turbulent gaz-liquide dans des STR qui présentées dans la dernière partie de la thèse. Finalement, la troisième partie de la thèse présente le développement d'un modèle multi-échelle d'écoulement gaz-liquide comme outil pour la conception et la mise à l'échelle de STR. Le modèle est basé sur la compartimentalisation du STR en zones et l'utilisation de simulations simplifiées d'écoulement gaz-liquide moins coûteuses en temps calcul. Ce modèle a prédit la valeur moyenne du coefficient volumique de transfert de matière (kLa) dans chaque zone à l'aide de paramètres hydrodynamique locaux y figurant (c.-à-d. rétention de gaz et le taux de dissipation de l'énergie cinétique de turbulence du liquide). La validité du modèle à chaque étape a été scrupuleusement évaluée à l'aide de données de la littérature. Le modèle proposé a été capable de prédire le coefficient volumique global de transfert de matière à l'intérieur du STR avec une bonne précision. À l'aide de ce modèle, il est apparu que les contributions de chaque zone au transfert de matière global à l'intérieur du STR peuvent changer considérablement en modifiant les conditions opératoires et la mise à l'échelle. Il a été estimé que, en accroissant le volume du STR, le kLa global avait diminué d'au moins 20% suite à une mise à l'échelle classique. L'originalité scientifique du présent travail repose sur (a) l'introduction d'une nouvelle méthode pour trouver la localisation de la frontière entre deux zones compartimentales caractéristiques des STR qui y décrivent l'inhomogénéité de la turbulence, (b) l'investigation systématique des effets des conditions opératoires et des différentes approches de mise à l'échelle sur le degré d'inhomogénéité de la turbulence dans les STR équipés de turbine RT, (c) les études expérimentales exhaustives sur les écoulements turbulents dans des STR à l'aide de la technique RPT pour les turbines RT et PBT, (d) l'introduction d'une nouvelle méthode pour la mesure non-invasive du temps de mélange dans les STR basée sur le concept statistique de perte de mémoire, (e) le développement d'un modèle multi-échelle pour les écoulements gaz-liquide comme outil de conception et de mise à l'échelle du STR, et (f) l'examen attentif de l'impact des conditions opératoires et de la mise à l'échelle sur les valeurs du coefficient volumique local de transfert de matière. Les découvertes de cette étude ont permis de mettre en lumière les paramètres hydrodynamiques importants pour la conception et la mise à l'échelle des STR. À cet égard, il est permis de croire que des améliorations significatives dans leur conception pourront être réalisées à l'aide du modèle multi-échelle proposé étant donné qu'il considère à la fois le champ d'écoulement effectif et des paramètres hydrodynamiques locaux.