Innovative Distillation Column Packing Design : a Study on Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS)

Conception de nouveaux internes de colonne de distillation : une étude sur les surfaces minimales triplement périodiques (TPMS) Les procédés de séparation tels que la distillation et l’absorption sont essentiels, mais fortement énergivores en raison de leur faible efficacité thermodynamique. Les stratégies d’intensification des procédés, telles que la distillation réactive et les colonnes de distillation à intégration thermique (HIDiC), permettent d’améliorer cette efficacité en optimisant le transfert de chaleur et en intégrant réaction et séparation. Par ailleurs, les avancées en fabrication additive rendent possible le développement de géométries de garnissage complexes, au-delà des designs traditionnels en plaques corrugués, améliorant ainsi le transfert de matière et réduisant la consommation énergétique.Une alternative innovante repose sur les surfaces minimales triplement périodiques (TPMS), qui offrent des structures interconnectées, autoportantes et définies mathématiquement, permettant une optimisation précise des performances du garnissage et de sa morphologie dans l'espace. Ces structures ouvrent de nouvelles perspectives en matière d’économies d’énergie et d’efficacité de transfert de masse. Cette étude propose une approche fondée sur les TPMS pour le développement de nouveaux internes pour contacteurs gaz-liquide, en évaluant leurs performances en distillation et leur pertinence pour des applications en distillation réactive et en systèmes HIDiC. L’objectif final est de concevoir un système de garnissage polyvalent, capable de soutenir plusieurs stratégies d’intensification des procédés, afin d’améliorer l’efficacité et la durabilité des séparations thermiques.Ce travail est structuré en quatre parties principales. Dans un premier temps, une nouvelle méthode de conception basée sur les TPMS est présentée, accompagnée d’une première analyse du comportement de l’écoulement gazeux à l’aide de simulations CFD. La deuxième partie est consacrée à l’évaluation expérimentale du garnissage TPMS, en analysant la perte de charge gaz-liquide, l’efficacité du transfert de masse et la rétention de liquide. La troisième section explore les performances de transfert de chaleur du garnissage à travers des simulations CFD validées par des données expérimentales. Enfin, la quatrième partie propose une approche originale de conception de géométries de garnissage anisotropes radialement, optimisées pour les systèmes HIDiC, avec une évaluation des performances thermiques via des simulations CFD et des tests expérimentaux.