Réacteurs microstructurés : hydrodynamique, thermique, transfert de matière et applications aux procédés - Université de Lorraine
Theses Year : 2001

Microstructured reactors : hydrodynamics, thermal behavior, mass transfer and process applications

Réacteurs microstructurés : hydrodynamique, thermique, transfert de matière et applications aux procédés

Abstract

The present manuscript presents an analysis of flow and transport phenomena in microstructure reactors, their influence on the behavior of the reactors and the major interest and areas of application for the use of microtechnology in ptocess engineering. Hydrodynamic conditions and space-times in the numerous channèls are accurately controlled by appropriate design of the reactor. The residence time distribution, although narrow in a single microchannel, is significantly dispersed in the reactor due to flow singularities. Nevertheless, microstructured reactors are suited to periodic operation at frequencies higher than 1 Hz. The thermal behavior, characterized by significant axial conduction, leads to spatial isothermicity in metallic reactors and requires the use of poody conducting ni'aterials to maintain temperature gradients. Under transient conditions, following a step change in fluid temperatures; the reactor temperature variation can be represented by two characteristic times, one internal, the other external. In mass transfer, an axial diffusion effect can predominate with respect to convection, which increases the Sherwood number and back-mixing. Nevertheless, the determination of kinetic parameters being accurate for the low Damkohler numbers attainable, microchannelreactors provide favorable conditions for the study of rapid, reactions. A synthesis of the above-mentioned points indicates several advantages for microstructured reactors, such as a significant energy saving induced by the structuring of the,flow in' parallel channels. Intensification of heat exchange in microchanne1 dimensions limits therisks of thermal runaway by removing heat generatedhy exothermic reactions and allows miniaturization of production units without loss in productivity. Finally, lleat and mass transfer by conduction and diffusion are favored with respect to reacticin and hence microstructured reactors are well suited to kinetic measurement and to development of new processes limited by heat and mass transfer.
Ce mémoire présente une analyse de l'écoulement et des phénomènes de transfert dans les réacteurs microstructurés, leur influence sur le comportement des réacteurs et les principaux intérêts et domaines d'utilisation des microtechniques en Génie des Procédés. L'hydrodynamique et les temps de passage dans les nombreux canaux parallèles sont finement maîtrisés par un dimensionnement approprié du réacteur. La distribution des temps de séjour, bien que peu étalée dans un microcanal unique, est très dispersée dans le réacteur à cause des singularités de l'écoulement. Néanmoins, ces réacteurs sont adaptés pour la conduite périodique à des fréquences supérieures au Hertz. Le comportement thermique, caractérisé par un effet axial de conduction, induit l'isothermicité des réacteurs métalliques et requiert l'emploi de matériaux peu conducteurs pour maintenir un gradient de température. En régime transitoire, suite à un échelon de température des fluides, la température du réacteur est caractérisée par des temps internes et externes. En transfert de matière, un effet de diffusion axiale dans les microcanaux peut prédominer par rapport à la convection, ce qui augmente le nombre de Sherwood et le rétromélange. Néanmoins, la détermination de paramètres cinétiques étant précise dès que le nombre de Damkohler est faible, ces réacteurs fournissent des conditions favorables pour l'étude de réactions rapides. La synthèse de ces points montre plusieurs avantages des réacteurs microstructurés tels qu'un gain énergétique significatif induit par la structuration de l'écoulement en canaux parallèles. L'intensification des échanges dans ces dimensions limite les risques d'emballement en évacuant la chaleur des réactions exothermiques et permet de miniaturiser une installation à productivité constante. Enfin, les transferts par conduction et diffusion sont favorisés par rapport aux réactions si bien que ces réacteurs sont adaptés aux études cinétiques et au développement de nouveaux procédés limités par ces transferts.
Fichier principal
Vignette du fichier
INPL_T_2001_COMMENGE_JM.pdf (13.98 Mo) Télécharger le fichier
Origin Files produced by the author(s)

Dates and versions

tel-01749796 , version 1 (29-03-2018)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01749796 , version 1

Cite

Jean-Marc Commenge. Réacteurs microstructurés : hydrodynamique, thermique, transfert de matière et applications aux procédés. Alimentation et Nutrition. Institut National Polytechnique de Lorraine, 2001. Français. ⟨NNT : 2001INPL563N⟩. ⟨tel-01749796⟩
450 View
714 Download

Share

More