Hydrodynamiques et caractéristiques du transfert de matière dans les contacteurs gaz-liquide à microcanaux

par Jun Yue

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Lingai Luo.

Soutenue en 2008

à Chambéry .


  • Résumé

    Les contacteurs gaz-liquide à microcanaux ont fortement attiré l'attention de la recherche dans ces dernières années étant donné leur potentiel dans de nombreuses opérations industrielles de transfert de matière ou de réactions gaz-liquide. Ce travail a donc pour objectif d'approfondir les connaissances concernant l'hydrodynamique et les caractéristiques du transfert de matière dans ce type de contacteur. Dans une première partie, le régime d'écoulement diphasique pour un mélange co2-eau a été examiné dans trois microcanaux de diamètres hydrauliques différents. Suivant les débits de gaz et de liquide envoyés dans le microcanal, cinq régimes d'écoulement ont été observés. Nous avons mis en évidence que l'écart entre les prévisions des corrélations existantes proposées pour décrire les transitions entre les différents types d'écoulement et nos résultats expérimentaux s'accroissent lorsque le diamètre hydraulique diminue. à partir de nos résultats expérimentaux, nous avons proposé une corrélation afin de décrire la transition entre l'écoulement de Taylor et celui à bouchons instables. La deuxième partie consiste à mesurer les pertes de charge pour les mélanges azote-eau et co2-eau. Nous avons montré que les pertes de charge établies sur les modèles classiques de type homogène ou à phases séparées n'arrivent pas à décrire correctement les résultats expérimentaux. De nouvelles corrélations ont été développées pour améliorer l'applicabilité de ces modèles. Dans une troisième étape, l'influence des conditions opératoires sur le transfert de matière gaz-liquide dans un microcanal rectangulaire de diamètre hydraulique de 667 micromètre a été déterminée par des méthodes d'absorption physique et chimique. Nous montrons que le coefficient global de transfert de matière côté liquide et l'aire interfaciale obtenus dans ce contacteur sont au moins de 1 a 2 ordres de grandeur supérieurs à ceux obtenus avec des contacteurs gaz-liquide traditionnels. La quatrième partie porte sur l'hydrodynamique et le transfert de matière en écoulement de Taylor pour un mélange air -eau dans deux microcanaux carrés de diamètres hydrauliques de 400 et 200 micromètres. Nous avons observé que la longueur des bouchons liquides est courte (moins de 1,5 fois le diamètre hydraulique). De ce fait, les modèles existantes établis dans des tubes capillaires avec un diamètre à l'ordre du millimètre ne peuvent pas prédire raisonnablement les résultats expérimentaux. De nouvelles corrélations ont donc été proposées pour évaluer la perte de charge et le coefficient global de transfert de matière côté liquide en écoulement de Taylor dans ces microcanaux. Enfin, nous avons fait des essais d'absorption du co2 dans l'eau avec un contacteur comprenant deux distributeurs constructaux intégrés avec 16 microcanaux de diamètre hydraulique de 667 micromètre montés en parallèle. Les mesures montrent une distribution diphasique presque uniforme dans ces microcanaux quand le régime d'écoulement est celui correspondant à des bouchons annulaires. Par conséquent, une efficacité du transfert de matière identique à celle observée sur un seul microcanal peut être maintenue, ce qui permet d'envisager une extrapolation relativement aisée des mesures effectuées à un système de plus grande taille

  • Titre traduit

    Hydrodynamics and mass transfer characteristics in gas-liquid microchannel contactors


  • Résumé

    Gas-liquid microchannel contactors have drawn much research interest in recent years in view of their potential in many mass transfer operations and gas-liquid reactions. The present work aims at an investigation of hydrodynamics and mass transfer characteristics in this type of contactor in great depth. In the first part, co2-water two-phase flow pattern has been investigated in three microchannels with different hydraulic diameters. Five flow patterns have been observed in these microchannels depending on the flow rates of gas and liquid. The fitting performance of the existing correlations for describing flow pattern transition in microchannels was evidenced to deteriorate as the hydraulic diameter of the microchannel decreased. Based on the experimental data, a correlation has been proposed to predict the transition boundary between Taylor flow and unstable slug flow. The second part deals with pressure drop of both n2-water and co2-water two-phase flows in microchannels. It has been shown that pressure drop correlations based on the traditional homogeneous flow model and separated flow model fail to describe the experimental data. Some new correlations have been developed in order to improve the applicability of such models. In the third part, the influence of the operational conditions on gas-liquid mass transfer has been determined in a rectangular microchannel with hydraulic diameter of 667 micrometer by physical and chemical absorption methods. It has been shown that liquid side volumetric mass transfer coefficient and interfacial area in this microchannel contactor are at least one or two orders of magnitude higher than those achieved in traditional gas-liquid contactors. The fourth part is concerned with air-water Taylor flow and mass transfer in two square microchannels with hydraulic diameters of 400 and 200 micrometers. It was observed that lengths of liquid slugs in these microchannels were short (less than 1. 5 times hydraulic diameter). Consequently, the available models developed for capillaries with diameters on the order of millimeters cannot well represent the experimental results. Some new correlations have thus been developed in order to predict pressure drop as well as liquid side volumetric mass transfer coefficient during Taylor flow through the two microchannels. Finally, experiments on co2 absorption into water have been performed in a contactor in which two constructal distributors were integrated with 16 parallel microchannels having hydraulic diameters of 667 micrometer. The results indicated that a nearly uniform two-phase flow distribution could be realized under the ideal flow pattern of slug-annular flow as a result the same mass transfer efficiency as that achieved in a single microchannel can be maintained which offers a relatively easy method for the scale-up of microchannel contactors to even larger scale.

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  • Détails : 1 vol. (195 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.177-193. Index

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