Études de l'hydrodynamique et du transfert de matière en film ruisselant : application aux colonnes de garnissage

Hydrodynamics and mass transfer studies of trickling thin liquid film : application to packed columns.

• Auteur / Autrice : Xavier Dubois
• Direction : Mathieu Mory
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Pau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colonnes à garnissage

Interfaces gaz-liquide

Écoulement diphasique

Transfert de masse

Résumé

Dans le cadre industriel du traitement d'effluent gazeux, notamment H2S, l'optimisation des unités de type Clauspol passe par le remplacement du garnissage vrac en garnissage structuré. Ce dernier est d'emploi récent, et il est nécessaire d'acquérir une meilleure connaissance de l'hydrodynamique et du transfert de matière sur de telles structures, complexes du fait de leurs géométries. Le transfert de matière gaz-liquide est étudié pour des écoulements en films minces ruisselant sur des surfaces inclinées lisse et corruguée. Les conductances de transfert locales en phases gaz et liquide, kG et kL, ainsi que la surface d'échange effective, a, sont estimées à partir d'expériences d'absorption réactive de CO2 dans des solutions de soude. La dépendance des paramètres caractéristiques du transfert est explorée en fonction des propriétés géométriques des surfaces de ruissellement et des propriétés hydrodynamiques locales caractérisées par le débit et l'épaisseur des films liquides. L'épaisseur déterminée expérimentalement par méthode ultrason ou par analyse de distribution des temps de séjour est faible, inférieure à 1. 10-3m en film lisse pour une inclinaison de 30ʿ. Sur plan corrugué, tout en travaillant pour des angles plus fort, 70ʿ, l'épaisseur du film est plus forte, induisant une diminution de la vitesse d'écoulement du liquide. Ainsi, l'augmentation globale du produit kLa observée en passant d'un écoulement sur plan lisse à corrugué, est essentiellement liée aux effets des corrugations sur la surface d'échange. En revanche, la conductance de transfert kL est peu perturbée dans la gamme des nombres de Reynolds étudiée. Elle est aussi peu sensible à la géométrie du film.

Within the industrial framework of the gas waste processing, in particular H2S, the optimization of the Clauspol type units requires the substitution of random packing by structured packing. Structured packing are of recent use, and it is necessary to acquire a better knowledge of the hydrodynamics and mass transfer on such structures, which are complex because of their geometries. Gas-liquid mass transfer is studied for thin films trickling down a tilted plane surface or corrugated one. Local gas side and liquid side mass transfer coefficient, kG and kL, as well as the specific interfacial area, a, are estimated by means of experiments of reactive absorption of CO2 in a sodium hydroxide solution. The dependence of these mass transfer characteristic parameters is explored versus the geometrical properties of the streaming surfaces and the local hydrodynamic properties characterized by the flow rate and liquid film thickness. The mean film thickness is measured using an ultrasonic probe method and by the analysis of Residence Time Distribution. It is small, thinner than 1. 10-3m for a liquid film trickling over plane surface inclined at 30ʿ. On a corrugated surface, while working for angles stronger, up to 70ʿ, the thickness is larger inducing a reduction of the liquid flow velocity. Thus, the total increase in the kLa product observed while passing from a flow on a plane surface to a flow on a corrugated one, is primarily related to the effects of the corrugated geometry on the specific interfacial area. Moreover, the liquid side mass transfer coefficient kL is not very disturbed in the studied range of Reynolds numbers. It is also not very sensitive to the film geometry.