Thermometry in liquid phase by laser-induced fluorescence in compact intensified reactors

L'intensification des procédés a suscité une attention considérable depuis quelques décennies. Elle consiste à appliquer différentes stratégies pour améliorer les performances des procédés chimiques par rapport aux procédés conventionnels en termes de taille des équipements, de sélectivité du produit, de réduction des gaspillages, de sécurité des procédés et d'efficacité énergétique. Les réacteurs-échangeurs de chaleur compacts (HEX) sont des technologies dites intensifiées. Ils sont caractérisés par un bon mélange et des transferts de chaleur efficaces résultant de leurs petites sections transversales, de leur rapport surface de transfert de chaleur sur volume élevé et de leur géométrie complexe qui permet de créer du mélange radial au sein de l'écoulement. De par leurs caractéristiques, ces équipements sont adaptés à la mise en œuvre de réactions fortement exothermiques. Ce travail porte sur la caractérisation hydrodynamique et thermique d'échangeurs de chaleur compacts. Une étude expérimentale est menée, complétée par une étude numérique réalisée avec le logiciel de CFD ANSYS CFX 2021. Expérimentalement, des prototypes sont utilisés, composés d'une plaque dite " procédé " et d'une plaque dite " utilité " séparées par une paroi en aluminium. La plaque " procédé " comporte un canal millimétrique droit ou en zigzag, avec des sections transversales carrées de 2 à 4 mm de largeur, dans lequel circule de l'eau qui transfère de la chaleur au fluide " utilité ", de l'eau également, qui circule dans un canal rectangulaire gravée dans la plaque " utilité ". Les canaux en zigzag sont constitués d'une alternance de sections droites et de coudes à 90°. Le but de l'étude hydrodynamique est d'identifier les plages de nombre de Reynolds correspondant aux écoulements laminaire, transitionnel et turbulent dans les canaux en zigzag étudiés. Une étude numérique complémentaire est menée pour valider les résultats expérimentaux et choisir un modèle de turbulence adapté. Dans l'étude thermique, les champs de température sont mesurés à différentes profondeurs et positions le long des canaux en zigzag dans des conditions d'écoulement laminaire et turbulent. Une technique de fluorescence induite par laser plan à deux couleurs/deux colorants (PLIF) est utilisée. L'objectif est ici d'étudier dans quelle mesure la méthode PLIF est adaptée à la mesure de température dans des canaux millimétriques en termes de résolution spatiale et temporelle et de précision globale. Afin de vérifier la cohérence de la méthode PLIF, une étude numérique du transfert de chaleur est réalisée pour déterminer les champs de température obtenus par simulation. Les températures estimées par les deux méthodes sont comparées et analysées.