Characterization and modelling of the dispersed phase behavior in pulsed colums
Caractérisation et modélisation du comportement de la phase dispersée dans les colonnes pulsées
Résumé
In a context that requires the reduction of human impact on the environment, optimizing the recycling of nuclear spent fuel is of increasing importance. The liquid-liquid extraction, one of the main processes of spent fuel recycling, brings together two immiscible phases one of which dispersed into droplets. The mass exchange between both liquids is closely linked to interfacial area produced by the equipment used. Already operated on an industrial scale, the pulsed column is the subject of this work which aims at providing a mathematical model for the prediction of the amount of interfacial area produced so as to allow a better design of devices. The work in this thesis focuses on two main themes : the characterization of emulsions produced by pulsed columns and modelling the dispersed phase behaviour. The characterization step is intented to mesure the data required for a better understanding of the emulsion and to calibrate the model. In order to comply with the eulerian nature of the model, measures were synchronized with the pulsation cycle. Innovative measurement techniques based on image processing and exploiting this synchronization have been developed to assess the average hold-up rate, the drop sizes distribution, the anisotropy and the average interfaciale area density. These experimental works have been the subject of an oral presentation at the International Conference on Multi-phase Flows (ICMF 2010). The modellig was based on D. LHUILLIER's work who provides an eulerian mixture model for the emulsion. The emulsion is perceived as a pseudo-continous single phase whose properties are weighted by the respective volume fraction of each present phase. The novelty of the model lies on the use of a transport equation for interfacial area density which is the keystone of the design and the assessment of the efficiency of liquid-liquid extraction devices. The evolution of Interfacial area density is the result of the competition between four main phenomena that are : the drops deformation, the return to isotropy, coalescence and drops break-up. The correct reproduction of this physics necessitated a splitting of the time step where the effects of each phenomenon are taken into account sequentially. Otherwise, as a consequence of the equations of the model, the return to isotropy instantly balance deformations effects making it impossible to trigger fragmentation from drops deformation. Initial fitting of the model was based on data taken from literature involving academic geometries like the convergent-divergent. The newly acquired experimental data were then used to make an first validation of the model on a less common geometry, the pulsed column.
Dans un contexte où il est devenu vital de réduire l'impact de l'activité humaine sur l'environnement, l'optimisation du recyclage des combustibles nucléaires prend une place grandissante. L'extraction liquide-liquide, procédé au coeur du recyclage, met en contact deux phases immiscibles dont une dispersée sous forme de gouttes. L'échange de matière entre les deux liquides est étroitement lié à la surface d'échange produite par l'appareil utilisé. La colonne pulsée, exploitée à une échelle industrielle, fait l'objet de cette étude dont le but est de fournir un modèle mathématique capable de prévoir la quantité d'aire interfaciale produite afin de permettre un meilleur dimensionnement des appareils. Les travaux menés au cours de cette thèse se sont axés autour de deux thèmes principaux : la caractérisation des émulsions en colonne pulsée et la modélisation du comportement de la phase dispersée. La phase de caractérisation a eu pour objectif de mesurer les données nécessaires à la connaissance de l'émulsion et au calibrage du modèle mathématique. Pour se mettre en conformité avec la nature eulérienne du modèle, un système de synchronisation des mesures avec le cycle de pulsation de la colonne a été mis en place. Des techniques de mesure innovantes, par traitement d'images, exploitant cette synchronisation ont été développées pour permettre de mesurer le taux de rétention moyen (fraction volumique), la distribution des tailles de gouttes, l'anisotropie ainsi que l'aire interfaciale volumique moyenne. Ces travaux expérimentaux ont fait l'objet d'une communication orale à l'International Congres on Multiphase Flow (ICMF 2010). La phase de modélisation s'est appuyée sur les travaux de D. LHUILLIER qui fournit un modèle eulèrien d''emulsion de type " modèle de m'elange ". L'émulsion y est perçue comme une phase unique, pseudo continue, aux propriétés pondérées par les fractions volumiques respectives de chacune des phases présentes. La nouveauté du modèle réside sur l'emploi d'une équation de transport de l'aire interfaciale volumique, grandeur clé pour le dimensionnement et la mesure de l'efficacité des appareils d'extraction liquide liquide. L'évolution de cette grandeur est le résultat de la compétition entre quatre phénomènes principaux que sont la déformation, le retour à l'isotropie, la coalescence et la fragmentation. La restitution correcte de cette physique a nécessité l'emploi d'une méthode de " fractionnement du pas de temps " où les effets de chaque phénomène sont pris en compte de façon séquentielle pour que les termes puits comme le retour à l'isotropie ou la coalescence n'effacent pas instantanément la production générée par les termes source. Dans un premier temps l'ajustement du modèle s'est basé sur des données de la littérature mettant en jeu des géométries académiques comme le convergent-divergent. Les données expérimentales fraîchement acquises ont ensuite servi à apporter une première validation du modèle sur une géométrie moins courante, la colonne pulsée.
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