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Experimental and numerical study of the hydrodynamics and gas-liquid mass transfer in a thin gap bubble column in presence of Newtonian or non-Newtonian liquid phase
Les colonnes à bulles de faible entrefer sont depuis peu envisagées pour intensifier les productivités volumiques des photobioréacteurs. Dans cette étude, une colonne à bulles confinée (entrefer de 4 mm) est caractérisée dans l'objectif de cultiver des micro algues à haute concentration (42 g/L...
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| Collectivités auteurs : | , , |
| Format : | Thèse ou mémoire |
| Langue : | anglais |
| Titre complet : | Experimental and numerical study of the hydrodynamics and gas-liquid mass transfer in a thin gap bubble column in presence of Newtonian or non-Newtonian liquid phase / Sikandar Almani; sous la direction de Caroline Gentric et de Walid Blel et de Émilie Gadoin |
| Publié : |
2021 |
| Accès en ligne : |
Accès Nantes Université
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| Note sur l'URL : | Accès au texte intégral |
| Note de thèse : | Thèse de doctorat : Génie des procédés : Nantes : 2021 |
| Sujets : |
| Résumé : | Les colonnes à bulles de faible entrefer sont depuis peu envisagées pour intensifier les productivités volumiques des photobioréacteurs. Dans cette étude, une colonne à bulles confinée (entrefer de 4 mm) est caractérisée dans l'objectif de cultiver des micro algues à haute concentration (42 g/L). De telles cultures ont un comportement rhéofluidifiant, reproduit ici avec des solutions aqueuses de CMC et XG.Une étude expérimentale (Shadowgraphy) et numérique (CFD) est réalisée sur des bulles isolées en ascension dans la colonne. La méthode Volume of Fluid permet une prédiction satisfaisante de la vitesse terminale, la forme et la trajectoire des bulles. Une corrélation adimensionnelle est développée pour prédire le coefficient de traînée des bulles isolées dans un fluide non-Newtonien pour des conditions confinées. L'hydrodynamique globale et le transfert de matière gaz-liquide sont également caractérisés. Pour la colonne à bulles, l'accent est mis sur la rétention de gaz, les transitions entre régimes d'écoulement, le temps de mélange et le transfert gaz-liquide. L influence du confinement, des paramètres rhéologiques et du distributeur est étudiée. Comparés à l eau, les liquides non-Newtoniens montrent une rétention de gaz supérieure, des transitions de régime à des vitesses superficielles de gaz légèrement inférieures, un mélange assez médiocre, en particulier dans le régime homogène. Les résultats de kLa montrent qu il diminue avec l'augmentation du diamètre des capillaires du distributeur et avec l'augmentation de la viscosité apparente. Par rapport aux colonnes à bulles classiques, le kLa dans la colonne à bulles confinée est plus faible, à la fois pour les fluides Newtoniens et non-Newtoniens. Thin-gap bubble columns have been recently considered as photobioreactors for the intensification of culture conditions to achieve high volumetric productivities. In the present study, a thin gap bubble column (4 mm) is characterized with the objective to cultivate high concentrations of microalgae (42 g/L). Such cultures have a shear-thinning behaviour, which is mimicked here with CMC and XG aqueous solutions. Experimental (Shadowgraphy) and numerical (CFD) study is performed on isolated bubbles rising in this column. The Volume of Fluid method allows satisfying prediction of bubble terminal velocity, shape and trajectory. A dimensionless correlation is developed to predict drag coefficient of isolated bubbles in non-Newtonian fluid for confined conditions. Global hydrodynamics, as well as gas-liquid mass transfer, are also characterized. The emphasis is on gas holdup, flow regime transitions, mixing time and volumetric gas-liquid mass transfer. The results are presented in terms of confinement, rheological parameters and sparger effects. They show that the gas holdup in non-Newtonian liquids is greater than that in water and that the regime transitions for non-Newtonian liquids occur at slightly lower superficial gas velocities than in the case of water. Mixing in non-Newtonian liquids is quite poor particularly in the homogeneous regime compared to low viscosity Newtonian liquids. Finally, kLa results show that kLa decreases with the increase in the capillary diameter of the sparger and decreases with the increase of apparent viscosity. Compared with classical bubble columns, the value of kLa in the confined bubble column is lower, both for Newtonian and non-Newtonian fluids. |
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| Variantes de titre : | Étude expérimentale et numérique de l'hydrodynamique et du transfert de matière gaz -liquide dans une colonne à bulles à faible entrefer en présence d une phase liquide Newtonienne ou Non-Newtonienne |
| Notes : | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) Partenaire(s) de recherche : Génie des Procédés Environnement Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Václav Sobolík (Président du jury) ; Karine Loubière, Olivier Potier (Rapporteur(s)) |
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