Experimental study and modelling of gas-liquid mass transfer in stirred tank containing non-newtonian fluids simulating sludge from wastewater treatment plant

• Auteur / Autrice : Raouf Hassan
• Direction : Jack Legrand, Karine Loubière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Boues d'épuration

Fluides non newtoniens

Mots clés libres

Fluides rhéofluidifiants

Cuve agitée

KLa

Atad

Analyse dimensionnelle

Rétention de gaz

Cfd

Résumé

S'inscrivant dans le contexte de la digestion aérobie thermophile autotherme (ATAD) des boues, cette thèse est dédiée à l'étude de l'effet des propriétés rhéofluidifiantes de la phase liquide sur le transfert de matière gaz-liquide dans un digesteur de laboratoire (cuve agitée aérée en volume). Les boues étant un milieu complexe, il a été initialement choisi d'utiliser des fluides modèles (CMC, gomme de xanthane) dont les formulations sont déduites de la rhéologie des boues. Un jeu de 150 mesures de coefficients volumiques de transfert de matière gaz-liquide est établi, préalablement validé par la mise en œuvre de méthodes physique et chimique et la quantification de la contribution de l'aération de surface. A partir de là, une analyse dimensionnelle rigoureuse est développée afin de modéliser les variations de kLa lorsque la viscosité est dépendante du cisaillement (théorie de la similitude étendue au cas de propriétés variables). Une corrélation sans dimension a pu être établie en décrivant correctement toutes les propriétés rhéologiques (modèle de Williamson-Cross à la place de celui d'Ostwald-de-Waele). En parralèle, des mesures locales de rétention gazeuse et de taille de bulles sont réalisées (double sonde optique). Elles apportent des éléments de compréhension sur la manière dont la rhéologie de la phase liquide affecte transfert de matière gaz-liquide. Enfin, des simulations numériques d'écoulements sont réalisées dans ce réacteur de laboratoire et servent d'outil complémentaire pour étudier le transfert de matière gaz-liquide dans de tels milieux.

In keeping with the context of sludge Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion, this thesis reports investigations on the effects of shear-thinning properties of liquid phase on gas-liquid mass transfer inside a labscale ATAD reactor (volume-aerated stirred vessel). Sludge being a complex material, it has been chosen as a first step to use model fluids (CMC, xanthan gum) which formulation is deduced from sludge rheological characteristics. A set of 150 measurements of overall volumetric gas-liquid mass transfer coefficients is carried out. For validation purposes, both physical and chemical methods are tested and the relative contribution between surface and volume aerations is quantified. Supported by this database, a consistent dimensional analysis is proposed so as to rigorously model the variations of kLa when viscosity is dependent on shear rates (extension of the theory of similarity to the case of variable material properties). A unique dimensionless correlation is then obtained, provided that all the rheological properties are correctly taken into account (Williamson-Cross's model instead of Ostwald-de-Waele's model). In parallel, some local measurements of gas hold-up and bubble size are performed by means of a double-tip optic probe. They give some interesting elements for better understanding how and why the liquid rheology affects the absorption rates. At last, some numerical investigations inside this lab-scale ATAD reactor are presented and used as a complementary tool for studying the effect of rheology on gas-liquid hydrodynamics and mass transfer.