Microfluidics at the service of intensification of distillation : design, characterization and optimization of a continuous laboratory tool
La microfluidique au service de l’intensification de la distillation : conception, caractérisation et optimisation d’un outil de laboratoire continu
Résumé
Most of the research is now focused towards the implementation of microscale unit operations inseries. Reactor miniaturization is currently well-controlled, while a wide gap exists concerning continuous microseparators being critical for controlling, analyzing and optimizing microfluidic processes. Distillation downscaling faces many limitations, principally that interfacial forces overweigh gravity forces at the microscale. Several studies have effectively demonstrated microdistillation and are mainly split into three categories: batch, continuous of intermediate size and continuous on-chip microdistillations. However, the characterization of flow patterns and the phenomena that govern the microdistillation operation have not been fully investigated yet, even though it is an essential prerequisite for the device optimization. Therefore, the objective of this work is the development of an efficient microdistillation dealing with low flow rates (150 - 500 μL/h). A new design offering mainly two advantages compared to those reported in the literature was proposed. Firstly, it displays asignificant gain in the gas-liquid interfacial area, thus improving the mass transfer between the gas andthe liquid. Secondly, it can proceed with higher flow rates, while keeping the gas liquid pressure difference lower than the capillary one. The hydrodynamic characterization of the microdistillation device was considered by measuring the residence time distribution.It was demonstrated that better performances than those of the literature are obtained (30 stages/m vs 15 stages/m). The effect of theoperating parameters on the separation performances of the developed tool was also investigated.
De nombreuses études sont désormais orientées sur la mise en œuvre d’une succession d'opérations en continu aux petites échelles. Bien que la miniaturisation des réacteurs soit actuellement bien maîtrisée, il existe encore des domaines peu explorés comme, par exemple, les microséparateurs continus qui sont essentiels pour contrôler, analyser et optimiser les procédés microfluidiques. La miniaturisation de la distillation se heurte à de nombreuses limitations principalement le fait qu’aux petites échelles, la gravité s’efface au profit des forces de surface. Plusieurs études ont essayé de miniaturiser la distillation et se répartissent principalement en trois catégories : microdistillation discontinue, continue de taille intermédiaire et continue sur puce. Cependant, la caractérisation de l'écoulement et les phénomènes qui régissent l'opération de la microdistillation n'ont pas encore été complètement étudiés. Cette étape est un prérequis essentiel pour l'optimisation du dispositif. Par conséquent, l'objet de ce travail est le développement d'une microdistillation performante utilisant des débits allant de 150 à 500 μL/h. Un nouveau « design », offrant deux avantages principaux par rapport à ceux reportés dans la littérature, a été proposé. Tout d'abord, il est apte à traiter des débits plus élevés, tout en maintenant une différence de pression gaz-liquide inférieure à la pression capillaire. Deuxièmement, ce « design » permet une augmentation significative de l’aire interfacialegaz-liquide, améliorant ainsi le transfert de matière entre le gaz et le liquide. La caractérisation hydrodynamique de la colonne de microdistillation a été envisagée en mesurant la distribution des temps de séjour. Cet outil microfluidique offre de meilleures performances que celles de la littérature(30 étages/m contre 15 étages/m). L'impact de plusieurs paramètres opératoires sur les performances de séparation de l'outil développé a été également étudié.
Origine : Version validée par le jury (STAR)