Etude expérimentale de la floculation en réacteur de Taylor-Couette : influence de l'hydrodynamique sur les phénomènes d'agrégation et de rupture

Experimental analysis of flocculation process in a Taylor-Couette reactor : influence of hydrodynamics on aggregation and break-up phenomena

• Auteur / Autrice : Carole Coufort
• Direction : Alain Liné
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés de l’environnement
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Hydrodynamique

Floculation

Mots clés libres

Réacteur de Couette-Taylor

Vélocimétrie par image de particules

Résumé

L'objectif de la thèse est d'étudier expérimentalement la sensibilité de la floculation à l'hydrodynamique. A cet effet, un séquençage des conditions hydrodynamiques est mis en œuvre dans un réacteur de Taylor-Couette. La taille des flocs est mesurée grâce à une technique d'acquisition et de traitement d’images. L'hydrodynamique est étudiée par le biais de la technique P. I. V. (Particle Image Velocimetry) et de la mécanique des fluides numérique. Une première série d’expériences montre qu’appliquer un fort stress hydrodynamique permet de maîtriser la distribution en taille des flocs ainsi que la reproductibilité des phases d'agglomération et de rupture. En particulier, la taille la plus probable des flocs est calibrée par la micro-échelle de Kolmogorov. Ensuite, l'analyse de résultats relatifs à des séquençages réalisés dans d’autres réacteurs (jar-test, cuve agitée) confirme que des mécanismes hydrodynamiques différents contrôlent la rupture et l’agglomération. La rupture résulte d’un équilibre entre forces hydrodynamiques et forces de cohésion ; elle est fortement liée à l’hétérogénéité de l’hydrodynamique. Les phénomènes d’agglomération sont gouvernés par le taux de collision que nous relions à la fréquence d'étirement tourbillonnaire

The present work focuses on the sensitivity of flocculation with respect to hydrodynamics. For that purpose, an hydrodynamic sequencing is performed in a Taylor-Couette reactor. Floc size is measured through image processing. Hydrodynamics is analyzed with Particle Image Velocimetry technique and Computational Fluid Dynamics. A first set of experiments shows that applying a high hydrodynamic stress enables to control floc size distribution as well as the reproducibility of agglomeration and break-up stages. In particular, the most probable floc size is calibrated by the Kolmogorov micro-scale. Then, results from experiments performed in a jar and in a standard agitated tank confirm that different hydrodynamic mechanisms control break-up and agglomeration. Break-up results from a balance between hydrodynamic and cohesion forces; it is closely linked to spatial variations of the viscous dissipation rate of the turbulent kinetic energy. Agglomeration is governed by collision rate related to vortex stretching frequency