Contribution to the study of thermogravitational diffusion and species separation

Ce travail est une contribution à l'étude de la séparation des espèces d'un mélange multi-constituant, par diffusion thermogravitationnelle. Lorsqu'on soumet une solution initialement homogène, constituée de plusieurs espèces chimiques, à un gradient thermique, celui-ci induit un gradient de fraction massique et un transfert de matière au sein du mélange. Ce phénomène est appelé thermodiffusion ou effet Soret. La séparation des espèces d'un mélange due à la thermodiffusion pure est très faible. La diffusion thermogravitationnelle, couplage entre la thermodiffusion et la convection naturelle, peut accroitre la séparation du mélange de façon significative. Dans ce mémoire de thèse, nous avons étudié les écoulements et les transferts de chaleur et de masse au sein d'un fluide binaire saturant un milieu poreux dans quatre configurations géométriques annulaire cylindrique (horizontale ou verticale), sphérique et parallélépipédique verticale. L'objectif principal de ces travaux était de préciser les conditions permettant, pour une configuration géométrique choisie, d'obtenir la plus grande quantité de produit séparé d'une espèce du mélange étudié. On s'est intéressé également au calcul du temps nécessaire pour l'établissement du régime massique, sachant que le régime thermique est établi très rapidement. Les équations régissant les écoulements et les transferts au sein de ces différentes configurations ont été résolues analytiquement dans le cadre de l'approximation d'écoulement de type parallèle et les résultats obtenus ont été validés à partir de simulations numériques en 2D et 3D sur Comsol Multiphysics et à partir d'un code spectral sous Matlab. L'influence des différents paramètres géométriques et thermiques sur la séparation des espèces a été aussi étudiée. Ce travail comporte aussi une étude analytique et numérique de la séparation des espèces par diffusion thermogravitationnelle dans un milieu fluide. En présence de l'effet Soret, le recours à la convection mixte permet d'obtenir la séparation des espèces d'un mélange de façon continue. Cette dernière contribution pourrait être d'une grande utilité pour différentes applications pharmaceutiques voir aussi dans le dessalement de l'eau de mer.This work represent a contribution to the study of species separation of a multi-component mixture, by thermogravitational diffusion. When a multi-component mixture, initially homogeneous, is subjected to a thermal gradient, a mass transfer occurs leading to the heterogeneity of the mixture. This phenomenon is known as the thermodiffusion or the Soret effect. The species separation by pure thermodiffusion is very small. Thermogravitational diffusion, a coupling between thermodiffusion and natural convection, can significantly increase the separation of the mixture. In this thesis, we studied the flow, the heat and mass transfer in a binary fluid saturating a porous medium in four geometrical configurations: cylindrical (horizontal or vertical), spherical and vertical parallelepiped cells. The main purpose of this work is to specify the conditions allowing, for a chosen geometrical configuration, to obtain the greatest quantity of separated species. We were also interested in the calculation of the time of mass establishment regime, knowing that the thermal regime is established very quickly. The equations governing the flows and transfers within these different configurations have been solved analytically in the framework of the parallel flow approximation and the results obtained have been validated with 2D and 3D numerical simulations on Comsol Multiphysics and with a Matlab spectral code. The influence of the different geometrical and thermal parameters on the separation was studied. This work also includes an analytical and numerical study of species separation by thermogravitational diffusion in a fluid medium. In the presence of the Soret effect, the use of mixed convection allows us to obtain separated species in a continuous way. This last contribution could be of great use for different pharmaceutical applications and in the desalination of seawater