L'impression 3D au service du génie des procédés : optimisation morphologique de structures complexes aux propriétés d'usages maîtrisées

Ces travaux de thèse apportent une contribution à la problématique de la conception de nouveaux objets de génie des procédés réalisés par fabrication additive. Plus particulièrement, une méthode pour la conception d’internes structurés complexes aux propriétés d’usage maîtrisées a été proposée. Des structures innovantes à géométrie complexe, ayant des propriétés géométriques et morphologiques intéressantes, pour des applications de mélange et de séparation ont été conçues, produites, caractérisées et modélisées. Ainsi, un garnissage à base de fils de section cylindrique est développé pour des applications en tant que contacteur gaz-liquide, alors qu’un ruban hélicoïdal est conçu pour des réacteurs oscillatoires continus. Dans un premier temps, différentes configurations ont été imprimées et étudiées d’un point de vue expérimental en modifiant les propriétés géométriques des structures, puis, des méthodes de caractérisation ont été appliquées sur ces internes pour mesurer leurs performances (capacité et efficacité en transfert de matière ou pourcentage du mélange). Dans un second temps, des travaux de modélisation mathématique, en se basant sur les données expérimentales et sur de l’analyse dimensionnelle, ont abouti à des corrélations adimensionnelles permettant de prédire les performances de ces internes en fonction des paramètres morphologiques. Enfin, des stratégies d’optimisation ont été mis en place sur la base de ces modèles afin d’être capable d’optimiser les paramètres géométriques en fonction des propriétés d’usage attendues

Design and optimisation of reactor internals for controlled process performance using additive manufacturing

Ces travaux de thèse apportent une contribution à la problématique de la conception de nouveaux objets de génie des procédés réalisés par fabrication additive. Plus particulièrement, une méthode pour la conception d’internes structurés complexes aux propriétés d’usage maîtrisées a été proposée. Des structures innovantes à géométrie complexe, ayant des propriétés géométriques et morphologiques intéressantes, pour des applications de mélange et de séparation ont été conçues, produites, caractérisées et modélisées. Ainsi, un garnissage à base de fils de section cylindrique est développé pour des applications en tant que contacteur gaz-liquide, alors qu’un ruban hélicoïdal est conçu pour des réacteurs oscillatoires continus. Dans un premier temps, différentes configurations ont été imprimées et étudiées d’un point de vue expérimental en modifiant les propriétés géométriques des structures, puis, des méthodes de caractérisation ont été appliquées sur ces internes pour mesurer leurs performances (capacité et efficacité en transfert de matière ou pourcentage du mélange). Dans un second temps, des travaux de modélisation mathématique, en se basant sur les données expérimentales et sur de l’analyse dimensionnelle, ont abouti à des corrélations adimensionnelles permettant de prédire les performances de ces internes en fonction des paramètres morphologiques. Enfin, des stratégies d’optimisation ont été mis en place sur la base de ces modèles afin d’être capable d’optimiser les paramètres géométriques en fonction des propriétés d’usage attendues.This thesis work offers a contribution to the problem of designing new process engineering objects using additive manufacturing. More particularly, a method for the purpose-specific design of complex internals was proposed. Innovative structures, with interesting geometrical and morphological properties, for mixing and separation processes were designed, fabricated, characterized, and modeled. Thus, a packing structure, based on cylindrical wires, is developed for gas-liquid contact systems, while a sharp-edged helical baffle is designed for continuous oscillatory baffled reactors. First, different configurations were printed and studied from an experimental point of view by modifying the geometrical properties of the structures. Then, characterization methods were executed on the internals to measure their performances (capacity and mass transfer efficiency or mixing degree). Secondly, using dimensional analysis and based on the obtained experimental data, mathematical modeling was performed in order to develop dimensionless correlations describing the performances of these internals as a function of the morphological parameters. Finally, optimization strategies were conducted using the developed models to optimize the geometrical parameters according to the desired performances