Etude et optimisation du fonctionnement d’une colonne airlift à dépression - Application à l’aquaculture

Study and optimization of a vacuum airlift - Application to aquaculture

• Auteur / Autrice : Bertrand Barrut
• Direction : Alain Grasmick
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 15/11/2011
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Grasmick, Catherine Aliaume, Jean-Yves Champagne, Jean-paul Blancheton
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-marie Billet, Michel Roustan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Aquaculture

Mots clés libres

Airlift

Dépression

Pompage

Transferts de matière

Moussage-écumage

Aquaculture

Airlift

Vacuum

Pumping

Mass transfer

Foam fractionation

Aquaculture

Résumé

L'objectif de ce travail était d'étudier les trois fonctions d'une colonne airlift sous dépression qui sont le pompage, les transferts gaz-liquide et l'extraction de matières particulaires par moussage-écumage. Le champ d'application ciblé concernait principalement le traitement des eaux aquacoles incluant l'extraction et la concentration de microalgues naturelles ou de culture. Chacune des fonctions a été étudiée séparément afin d'évaluer les capacités de l'airlift dans différentes conditions. L'étude de la fonction pompage a montré l'importance de la nature de l'eau, du type de diffuseur d'air, du débit gazeux injecté et du niveau de dépression appliqué. En eau douce, une forte coalescence des bulles est observée. Elle a pour conséquence une rétention gazeuse plus faible qu'en eau de mer. Le débit d'eau fourni par la colonne apparaît ainsi supérieur en eau douce (30 à 35 m3.h-1 contre seulement 10 à 20 m3.h-1 en eau de mer pour 5 m3.h-1 d'air injecté). A l'inverse, la hauteur de refoulement disponible est plus élevée en eau de mer (jusqu'à 0.8 m) qu'en eau douce (0.6 m maximum). Pour des circuits d'aquaculture où la perte de charge est faible, l'airlift est un système de pompage économique qui permet de réduire d'environ 40 % la consommation d'énergie par rapport à celle de pompes centrifuges. La colonne airlift présente également des capacités de transferts de matière comparables à celles de systèmes conventionnels. Les valeurs de KLa calculées pour la désorption du CO2 et comprises entre 0.002 et 0.01 s-1, sont environ quatre fois inférieures à celles obtenues pour le transfert d'oxygène par aération dans des conditions comparables. Les efficacités de transfert sont comprises entre 0.02 et 0.023 Kg.KW.h-1 pour le CO2 et entre 1.52 et 1.8 Kg.KW.h-1 pour l'O2. Les vitesses de transfert dépendent significativement du débit d'air, de la température, de la taille moyenne des bulles et de la présence d'aliments dans le bassin d'élevage. Elles sont peu affectées par la salinité, le niveau de dépression, la longueur du tube interne d'échange et le débit d'eau. Enfin, les capacités de séparation par moussage-écumage évoluent de façon positive quand le débit d'air et la taille des bulles sont réduits. L'efficacité globale d'extraction diminue avec l'augmentation de la concentration des produits extraits qui peut atteindre 130 fois la concentration initiale. La colonne à dépression apparaît ainsi comme un système multifonctionnel performant, même si l'efficacité maximale, pour chacune des fonctions, correspond à des conditions opératoires différentes. Ce procédé ouvre des perspectives de développement intéressantes dans des secteurs variés (de l'aquaculture au traitement des eaux industrielles).

The aim of this work was to study the three functions of a vacuum airlift, which are water pumping, mass transfer and foam fractionation. The investigations mainly focused on the treatment of fish culture water and on phytoplancton harvesting. Each function was studied separately, in order to assess the performance of the vacuum airlift with specific operating conditions. By studying the airlift pump, the effects of water and diffuser types, air injection conditions and depression level were shown. In fresh water, bubble coalescence was observed, which reduced gas holdup compared to sea water. Consequently, the water flow of the vacuum airlift appeared higher in fresh water than in sea water (30 to 35 m3.h-1 against 10 to 20 m3.h-1) for the same air flow rate (5 m3.h-1). Conversely, the available lift height was higher in sea water (up to 0.8 m) than in fresh water (0.6 m maximum). For low head aquaculture systems, the vacuum airlift may be an economical pumping system which allows a 40 % energy saving compared to centrifugal pumps. The vacuum airlift had a mass transfer efficiency similar to other gas transfer systems. The KLa values calculated for CO2 desorption ranged between 0.002 and 0.01 s-1. They were four times lower than those obtained for oxygen transfer in similar conditions. Mass transfer efficiencies ranged between 0.02 and 0.023 Kg.KW.h-1 for CO2 and between 1.52 and 1.8 Kg.KW.h-1 for O2. Mass transfer velocities significantly depended on air flow rate, water temperature, average bubble size and the presence of feed in the rearing tank. They are weakly depending on salinity, depression level, inner tube length or water flow. At last, foam fractionation increased when air flow and bubble size were reduced. The extraction efficiency decreased when the concentration of the extracted product increased (maximal concentration factor around130). The vacuum airlift appeared to be as a high-performance multifunctional system, even if the maximal efficiency for each of the functions corresponds to different operating conditions. This process could be used in a large scope of fields ranging from aquaculture to industrial water treatment.