BICTEL/e - ULg
Serveur institutionnel des thèses de doctorat

• automate cellulaire
• mousse métallique
• distillation
• hydrodynamique
• tomographie à rayons-X
• empilage structuré

Ce travail de thèse prend place dans un projet de recherche plus large dont le

but est le développement d’un modèle hydrodynamique de type automate cellulaire qui devrait permettre de décrire les écoulements gaz-liquide à contre-courant dans un empilage structuré. Il porte sur l’étude expérimentale et théorique de l’hydrodynamique des écoulements dans des colonnes à garnissage et, plus particulièrement, l’analyse par

radiographie et microtomographie à rayons-X de la distribution spatiale des phases liquide et solide dans des lits fixes parcourus par un écoulement gaz-liquide à contre-courant.

Dans l’introduction on rappelle tout d’abord les principales applications industrielles des colonnes de distillation et de distillation réactive ainsi que les types empilages

utilisés. L’hydrodynamique des écoulements dans ces appareils résulte de phénomènes extrêmement complexes, intervenant à une échelle très petite. Cet état de choses a poussé les chercheurs à développer des modèles de plus en plus détaillés, dont la validation requiert une connaissance de plus en plus fine de la répartition des phases au sein de ces lits fixes. L’obtention de mesures à une échelle très locale s’avère donc indispensable afin de concevoir un modèle hydrodynamique rendant compte des écoulements réels au sein d’empilages structurés.

Le chapitre 1 présente en détail les bases des techniques expérimentales utilisées.

Tout d’abord les techniques de visualisation par rayons-X avec la radiographie à rayons-X, qui consiste à produire une projection 2D d’un objet en l’exposant au rayonnement d’une

source à rayons-X. L’information contenue dans cette projection correspond à l’atténuation des rayons-X au travers des matériaux qui constituent l’objet. Celle-ci étant linéaire, il est possible de mesurer les épaisseurs de chaque matériau présent dans l’objet radiographié.

Ensuite, la microtomographie à rayons-X, est présentée. Elle consiste à reconstruire l’image d’une section droite d’un objet à partir de projections obtenues en illuminant cet

objet de rayons-X sous un grand nombre d’angles différents. L’algorithme permettant de reconstruire les images à partir des données de projection est l’algorithme de rétro-projection filtrée, adapté à la géométrie du dispositif de radiographie (faisceau cônique et détecteur CCD 10 Mégapixels). Le microtomographe utilisé est ensuite décrit. Enfin, pour clore ce chapitre, la technique de visualisation directe par caméra CCD rapide est brièvement expliquée.

Le chapitre 2 décrit l’installation expérimentale. Elle comprend un banc d’essai permettant la mesure de la distribution des phases par radiographie. Il est constitué d’une

colonne rectangulaire, d’un séparateur gaz-liquide et d’un distributeur de liquide. Les systèmes de mesures qui lui sont rattachés, permettent de réaliser des mesures locales des

débits de liquide et de gaz, des essais de traceur, et la mesure la perte de charge sur les empilages étudiés : un empilage poreux et un empilage structuré.

Dans les chapitres 3 et 4 sont regroupés les différents résultats expérimentaux ainsi que les discussions et commentaires s’y rapportant. Le chapitre 3 présente les différentes

mesures réalisées sur l’empilage de type mousse métallique (paramètres structuraux et hydrodynamiques) ainsi que l’étude des modèles de perte de charge proposés dans la littérature. On peut ainsi juger de la qualité du dispositif de radiographie ainsi que du

code de calcul basé sur la méthode des réseaux de Boltzmann permettant la simulation des écoulements monophasiques de gaz au sein d’un empilage à géométrie complexe.

Le chapitre 4 montre les résultats obtenus sur l’empilage de type structuré. Les mesures réalisées ont pour objectif d’améliorer la compréhension des phénomènes régissant

les écoulements gaz-liquide à contre-courant dans ce type d’empilage. Ces informations fournissent une description de l’écoulement de liquide et devraient permettre de définir les

règles qui régiront l’automate cellulaire.

Le chapitre 5 expose les premiers pas de la conception d’un automate cellulaire visant la simulation des écoulements gaz-liquide au sein d’un empilage structuré. La conception

d’une structure surfacique représentative de l’empilage afin d’y simuler l’écoulement de liquide est tout d’abord exposée. Ensuite, des règles régissant l’écoulement surfacique du liquide sont proposées.

Pour terminer le manuscrit, les conclusions mettent en avant l’originalité des résultats issus de la présente étude, avant de lancer quelques pistes pour des travaux de recherche à venir.

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