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Offre de Post-Doc
Titre:
Analyse quantitative du transfert de masse entre des bulles et un liquide en
écoulement de Taylor
Durée : 6 mois, démarrage souhaité mai ou juin 2014
Salaire net mensuel : environ 2000 €
Source du financement : projet ANR « Hydromore » (HYDROgenation in MOnolith
REactor), partenaire LGC
Lieu des travaux : Laboratoire de Génie Chimique (Toulouse), département IRPI (Ingénierie
des Réacteurs Polyphasiques Innovants)
Soutien technique : Fédération de Recherche FERMaT, Toulouse (http://www.federationfermat.fr)
Encadrement scientifique : A-Marie BILLET (Professeur, LGC) et Emmanuel CID
(Ingénieur de Recherche, LGC)
Contraintes de candidature :
- Etre diplômé(e) d’un titre de Docteur.
- Contacter Mme A-Marie Billet ([email protected]) avant le 15 mai 2014.
Description du Post-Doc proposé
Contexte :
Dans le projet ANR « Hydromore », où s’inscrit le travail proposé, on souhaite développer
une idée originale : réaliser des réactions d’hydrogénation dans un réacteur de type nouveau,
‘multi-tubulaire’, dans lequel le catalyseur solide sera fixé sur la paroi des tubes et qui
autorisera la bonne circulation et le bon contact des fluides, et en conséquence une bonne
sélectivité et un taux de conversion élevé.
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Parmi les phénomènes couplés se déroulant dans
les tubes de ce réacteur, la dissolution du gaz
réactifs dans la phase liquide est une étape majeure,
car souvent plus lente devant les autres
phénomènes. Des études ont montré que
l’organisation de l’écoulement gaz-liquide en
écoulement de Taylor, dit aussi « écoulement
poches-bouchons » (figure 1.a), est la plus propice
à un bon coefficient de transfert de masse entre ces
2 phases, en particulier grâce :
(i) au film de lubrification existant entre les bulles
et la paroi du tube,
(ii) aux cellules de recirculation existant entre les
bulles (figure 1.b)
Figure 1 :
a) écoulement de Taylor
b) champ de concentration en O2
dissous dans le sillage d’une bulle,
obtenu par PLIF-I (échelle en % de
la concentration à saturation)
Objectifs :
Dans ce travail on analysera les données expérimentales, obtenues par les techniques
d’ombroscopie et de PLIF-I lors d’un précédent travail, concernant l’hydrodynamique et le
transfert de masse entre des bulles d’oxygène et de l’eau, pour un écoulement de Taylor
vertical ascendant dans un tube vertical en verre de 3mm de diamètre interne et de 1m de
haut.
On cherchera à caractériser l’écoulement (tailles et vitesses des bulles et des « bouchons »), et
à identifier les champs de concentration d’oxygène dissous dans les bouchons de liquide (cf
figure 1.b), ainsi, lorsque la résolution des images le permettra, le niveau de concentration en
oxygène dissous dans les films de lubrification sera également investigué pour évaluer le flux
de transfert de masse entre les phases gaz et liquide.
Enfin, on s’efforcera de corréler les flux de transfert vers les ‘bouchons’ et vers les films aux
paramètres caractéristiques de l’écoulement : propriétés du liquide, longueurs et vitesses des
bulles et des bouchons. Ces corrélations seront basées sur les nombres adimensionnels
pilotant les phénomènes en jeu (en particulier : nombres de Sherwood, de Reynolds, de
Schmidt et Capillaire). Une campagne de mesure ciblée pourra éventuellement être envisagée
pour compléter les résultats analysés.
Note : la technique de mesure PLIFI (Planar Laser Induced Fluorescence avec Inhibition du
traceur) consiste à dissoudre dans la phase liquide un traceur fluorescent dont la fluorescence
est inhibée par la présence d’oxygène dissous, et à prendre des images du champ de
fluorescence de la phase liquide à l’aide d’une caméra sensible. Cette technique a déjà montré
sa capacité à quantifier les flux de masse entre un gaz et un liquide, dans des configurations
de bulles en ascension libre entre plaques ou de bulles en mouvement entre 2 plaques
planes1,2. Cette technique a déjà été testée pour un écoulement de Taylor mais son exploitation
demande à être complétée.
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Présentation de l’équipe de recherche d’accueil :
Le Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse (http://www.lgc.cnrs.fr) est une des 14 unités
de recherche de l’INPT. C’est l’un des plus gros laboratoires de recherche dans le domaine du
Génie Chimique. Il est composé de 6 départements, dont le département Ingénierie des
Réacteurs Polyphasiques Innovants (IRPI). Ce département se consacre au développement de
procédés industriels selon des approches théoriques et expérimentales.
Par ailleurs, une expérience solide et des avancées métrologiques ont été développées par
Anne-Marie Billet au sein du département IRPI, concernant l’analyse locale du transfert de
masse entre un gaz et un liquide ; en particulier, la possibilité d’utiliser la technique laser noninvasive dite « PLIFI » (Planar Laser Induced Fluorescence avec Inhibition du traceur) pour
l’étude du transfert de masse en écoulement confiné entre plaques a été démontrée en 2008 à
travers une thèse co-encadrée avec l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.
Depuis ces dernières années, l’intensification des réacteurs est devenue l’une des thématiques
majeures du LGC, qui s’est impliqué dans de nombreux projets français liés à
l’intensification, mais aussi dans des projets européens et internationaux (projet Européen
IMPULSE, Working Party « Process intensification », organisation des 1er et 2ème Congrès de
“Green Process Engineering” en 2007 et 2009). Le LGC travaille depuis 6 ans dans le
domaine de l’intensification des procédés continus et a établi de nombreuses collaborations
avec des groupes industriels de la chimie fine (Total, Rhodia, Arkema, Sanofi-Aventis, Pierre
Fabre, SME-SNPE…) et des équipementiers (Alfa Laval, Corning, Chart, FZK, RousseletRobatel, …). Beaucoup d’activités ont été dédiées au dimensionnement et au test de
différentes technologies de réacteurs, en particulier dans le domaine des échangeurs multifonctionnels.
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