igor-kester-garcia-vargas.png, par jfages

 

Soutenance de thèse d'Igor GARCIA VARGAS,

doctorant au Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302

sur "Conception de réacteurs et transducteurs ultrasonores optimisés, pour des applications de la cavitation acoustique et la sonochimie"

Lundi 2 octobre 2023 à 14h00

à l'ENSIACET - Toulouse

 

Composition du jury

• M. Olivier LOUISNARD : Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 - Directeur de thèse
• Mme Laurie BARTHE : Toulouse INP Laboratoire de Génie Chimique - Co-directrice de thèse
• M. Pascal TIERCE : SinapTec - Co-directeur de thèse du monde socio-économique
• M. Claude INSERRA : Université Claude Bernard Lyon 1 Inserm - Rapporteur
• M. Nicolas GONDREXON : Université Grenoble Alpes - Laboratoire Rhéologie et Procédés - Rapporteur
• M. Jean-Yves HIHN : Université Bourgogne Franche-Comté - Univers, Temps-fréquence, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et Environnement, Molècules - Examinateur
• M. Jean-François ROUCHON : Toulouse INP - Laplace - Examinateur
• M. Bertrand DUBUS : CNRS - Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Examinateur

Résumé

Les ultrasons de puissance sont utilisés dans la sonochimie pour accélérer différents processus comme le mélange, la dissolution, l'émulsion et la réaction chimique. L’application des ultrasons de puissance à un liquide génère de petites bulles de gaz oscillant de façon radiale, phénomène appelé cavitation acoustique. Malgré l'intérêt croissant pour ces applications, il est difficile de localiser précisément ces bulles et d'étudier leurs effets en raison du manque de modèles décrivant la propagation des ondes acoustiques en leur présence. Cette lacune rend difficile la transposition des expériences de laboratoire à des procédés industriels. Cette thèse se concentre sur la modélisation et la caractérisation de réacteurs sous ultrasons (sonoréacteurs) fonctionnant à une fréquence de 20 kHz. L'objectif principal de cette étude est de comprendre les interactions acoustiques complexes qui se produisent à l'intérieur d’un sonoréacteur, en examinant en particulier les effets de géométrie : taille du contenant, hauteur de liquide, profondeur d'immersion du transducteur. L’analyse de ces interactions vise à identifier les facteurs clés qui influencent l'efficacité du dispositif. Pour atteindre ces objectifs, différentes techniques de caractérisation physique et sonochimique ont été mises en œuvre, comme la mesure des radicaux formés par dosimétrie du KI, la mesure de la sonochimioluminescence, la calorimétrie et les mesures électriques. Ces méthodes expérimentales ont permis de démontrer l'existence de géométries optimales du liquide avec une localisation précise et une efficacité maximale de la cavitation. Par ailleurs, un modèle complet du sonoréacteur a été développé. Il prend en compte tous ses composants, tels que le transducteur, les vibrations parois du réacteur et le liquide cavitant. La boucle de contrôle intégrée dans les générateurs d'ultrasons pour déterminer la fréquence optimale de fonctionnement est également modélisée. La première partie de la thèse a visé à valider le modèle de cavitation en comparant à la théorie les grandeurs électriques mesurées lors d'expériences avec trois récipients en verre de formes et de volumes différents. Le deuxième volet de recherche a consisté à cartographier les zones de cavitation en analysant des images de chemiluminescence du luminol. La puissance dissipée dans le liquide a été mesurée par calorimétrie, et démontre que la stratégie de commande utilisée assure un rendement quasiment constant quelle que soit la géométrie. La dosimétrie du KI a également été mise en œuvre pour évaluer l'activité ultrasonore (génération de radicaux) dans les mêmes conditions géométriques. Les rendements chimiques sont très sensibles à la géométrie, même à volume constant. Enfin, des expériences ont été menées dans un réacteur en PMMA d'une capacité de 6L conçu ab initio. Le réacteur est rempli d'eau et très lentement vidangé au cours de l’expérience, permettant une variation géométrique quasi-statique, une balance permettant de mesurer le niveau de liquide. Le générateur d'ultrasons enregistre les grandeurs électriques au fil du temps, qui sont ensuite tracées en fonction du volume. L'impédance mécanique perçue par le transducteur est également reconstruite par une méthode semi-numérique et semble être un indicateur important de l’état de cavitation du liquide. Les résultats de ces travaux contribuent à la compréhension des phénomènes acoustiques complexes associés à la cavitation dans les réacteurs sonochimiques. En fournissant des informations détaillées sur les mécanismes sous-jacents et les conditions optimales de cavitation, cette thèse ouvre de nouvelles perspectives pour améliorer la conception des sonoréacteurs et optimiser les procédés industriels mettant en œuvre des ultrasons de puissance.

Mots-clés

Cavitation acoustique, transducteur, sonochimie, non-linéaire, éléments finis, acoustique.