Moreau

En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Génie des Procédés et de l'Environnement
Présentée et soutenue par :
M. MAXIME MOREAU
le vendredi 14 novembre 2014
Titre :
Unité de recherche :
Ecole doctorale :
METHODOLOGIES POUR LA CARACTERISATION HYDRODYNAMIQUE
ET L'EXTRAPOLATION DE REACTEURS INTENSIFIES
MILLISTRUCTURES
Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés (MEGeP)
Laboratoire de Génie Chimique (L.G.C.)
Directeur(s) de Thèse :
M. CHRISTOPHE GOURDON
M. MICHEL CABASSUD
Rapporteurs :
M. JEAN-MARC COMMENGE, UNIVERSITE DE LORRAINE
M. LIONEL ESTEL, INSA ROUEN
Membre(s) du jury :
1
M. ALAIN LINE, INSA TOULOUSE, Président
2
M. CHRISTOPHE GOURDON, INP TOULOUSE, Membre
2
M. HASSAN PEERHOSSAINI, UNIVERSITE DE NANTES, Membre
2
M. JACQUES GROLLEMUND, SOCIETE BLUESTAR SILICONES, Membre
2
M. MICHEL CABASSUD, UNIVERSITE TOULOUSE 3, Membre
2
M. NATHALIE LESAUZE, UNIVERSITE TOULOUSE 3, Membre

Résumé
L’intérêt croissant pour l’intensification des procédés a conduit à l’avènement d’un nombre
conséquent de nouvelles technologies. Le projet ANR PROCIP qui a financé cette thèse a
pour but de développer un logiciel d’aide à la décision pour aider l’utilisateur industriel dans
son choix de technologie optimale pour une application donnée. La méthodologie globale de
discrimination des technologies vis-à-vis d’un système réactif est basée sur l’utilisation d’une
base de données technologique et sur le calcul de critères de choix. Elle nécessite une bonne
connaissance du comportement hydrodynamique des appareils et de leurs performances en
termes de transfert de chaleur et de matière.
Dans cet objectif, les travaux présentés ici portent notamment sur l’étude du comportement
hydrodynamique de milli-réacteurs échangeurs industriels. Des méthodologies
expérimentales et numériques de caractérisation ont été mises au point. Elles ont permis
d’obtenir des corrélations pour l’estimation des pertes de charge, des coefficients de
dispersion axiale et des temps de mélange pour plusieurs milli-réacteurs en fonction des
conditions opératoires et de la géométrie des appareils. En outre, une nouvelle méthode
numérique est proposée pour la détermination des coefficients de dispersion axiale et des
temps de mélange. Elle est appliquée pour prédire l’effet de l’extrapolation des
caractéristiques géométriques des appareils sur ces propriétés. Dans une dernière partie,
l’impact de la dispersion axiale sur le taux de conversion et la sélectivité de différents
schémas de synthèses chimiques est discuté.
Abstract
The interest for process intensification has leaded to the emergence of a wide panel of new
technologies. The aim of the ANR PROCIP collaborative project which has funded this
work is to develop a new software program including a methodology for process choice
focused on intensified technologies. The global methodology of discrimination between the
different technologies with respect to a given reactive system is based on the use of an
equipment database and on the evaluation of criterion of choice. This methodology implies a
good knowledge of the hydrodynamics of the different reactors and their mass and thermal
transfer performances.
The purpose of the present work is to develop experimental and numerical methodologies
for the hydrodynamic characterization of different industrial milli-heat-exchangers reactors.
Pressure drop, mixing time and axial dispersion coefficient correlations are given as function
of the operating conditions and the geometrical parameters of the reactors. In particular, a
new numerical method using CFD computation for the determination of axial dispersion
coefficients and mixing times is presented. This method is used to predict the effect of the
scale-up of the geometrical characteristics of an intensified reactor on its hydrodynamic
performances. Finally, the impact of axial dispersion on the conversion rate and the
selectivity for different chemical synthesis schemes is discussed.
Laboratoire ; Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse

Sommaire
Introduction ............................................................................................................................... 1
Chapitre 1 : Développement dune méthodologie assistée par ordinateur pour le choix de
technologies intensifiées ............................................................................................................ 5
1). Lintensification des procédés ........................................................................................... 5
2). Projet PROCIP ................................................................................................................ 10
2.1). Objectif du projet ...................................................................................................... 10
2.2). Présentation de la méthodologie .............................................................................. 11
2.3). Rôle des partenaires ................................................................................................. 13
2.4). Base de données « Equipements » ............................................................................ 13
3). Présentation de quelques réacteurs intensifiés ............................................................. 16
3.1). Les mélangeurs statiques ........................................................................................ 17
3.2). Le réacteur Nitech ................................................................................................... 20
3.3). Les milli-réacteurs échangeurs ................................................................................ 22
4). Application de loutil daide à la décision à la nitration du toluène ............................... 30
4.1). Description de la réaction chimique ........................................................................ 30
4.2). Application de la méthodologie ................................................................................ 33
5). Conclusion ....................................................................................................................... 40
Chapitre 2 : Méthodes expérimentales pour la caractérisation hydrodynamique de
milli-réacteurs échangeurs: application à des réacteurs industriels ...................................... 41
1). Caractérisation hydrodynamique ................................................................................... 41
1.1). Pertes de charge ....................................................................................................... 41
1.2). Distribution des Temps de Séjour (DTS) ................................................................. 45
1.3). DTS dans les réacteurs-échangeurs ........................................................................ 51
2). Réacteurs étudiés et montage expérimental .................................................................. 54
2.1). Présentation des réacteurs ...................................................................................... 54
2.2). Mesure des pertes de charge .................................................................................... 55
2.3). Distribution des Temps de Séjour............................................................................ 56

2.4). Montage expérimental ............................................................................................. 58
3). Résultats expérimentaux ................................................................................................ 59
3.1). Pertes de charge ....................................................................................................... 59
3.2). Distribution des temps de séjour ............................................................................. 62
4). Conclusion ....................................................................................................................... 69
Chapitre 3 : Méthode numérique de détermination du coefficient de dispersion axiale ... 71
1). Etat de lart sur les modèles de coefficients de dispersion axiale .................................. 71
1.1). Modèles analytiques ................................................................................................. 71
1.2). Modèle basé sur les équations filaires ..................................................................... 74
2). Présentation de la méthode numérique ......................................................................... 77
2.1). Formulation mathématique générale ...................................................................... 78
2.2). Application à un tube droit cylindrique ................................................................... 83
3). Validation expérimentale de la méthode ........................................................................ 86
3.1). Dispositif expérimental ............................................................................................ 86
3.2). Résultats expérimentaux ......................................................................................... 89
3.3). Interprétation des phénomènes ............................................................................... 95
3.4). Discussions sur les limites des méthodes .............................................................. 101
4). Conclusion ..................................................................................................................... 110
Chapitre 4 : Application de la méthode numérique et extrapolation ............................... 113
1). Principales caractéristiques du réacteur DeanHex ..................................................... 113
1.1). Caractéristiques géométriques .............................................................................. 113
1.2). Type découlement généré ...................................................................................... 115
1.3). Influence des différents paramètres sur les performances hydrodynamiques et de
mélange .......................................................................................................................... 116
1.4). Choix des géométries étudiées ............................................................................... 119
2). Méthodes de caractérisation ......................................................................................... 120
1.1). Dispositif expérimental .......................................................................................... 120
2.2). Méthodes numériques ............................................................................................ 122
2.3). Domaine de calcul .................................................................................................. 123
3). Résultats ....................................................................................................................... 130

3.1). Profils de vitesse .................................................................................................... 130
3.2). Pertes de charge ..................................................................................................... 134
3.3). Dispersion axiale .................................................................................................... 139
3.4). Temps de mélange .................................................................................................. 150
4). Conclusion ..................................................................................................................... 152
Chapitre 5 : Application à la réaction chimique ............................................................... 155
1). Modèle piston-dispersion en présence de réaction(s) ................................................... 155
2). Présentation des différents schémas réactionnels ....................................................... 156
2.1). Réactions successives ............................................................................................. 156
2.2). Réactions compétitives ........................................................................................... 157
2.3). Réactions successives compétitives ....................................................................... 158
3). Paramètres détude ....................................................................................................... 158
3.1). Paramètre hydrodynamique .................................................................................. 159
3.2). Paramètre cinétique ............................................................................................... 160
3.3). Influence sur la conversion et la sélectivité .......................................................... 160
4). Identification de cas dintérêt ....................................................................................... 163
5). Résultats ....................................................................................................................... 166
6). Application aux réacteurs industriels .......................................................................... 169
7). Conclusion ..................................................................................................................... 170
Conclusion
.............................................................................................................................. 173
Nomenclature ......................................................................................................................... 178
Bibliographie .......................................................................................................................... 185