Analyse expérimentale et modélisation 1D des effets de viscosité et de contamination interfaciale sur l'hydrodynamique et le transfert d’ oxygène en colonne à bulles

Experimental analysis and 1D-modelling of viscous effects and interfacial contamination on hydrodynamics and oxygen transfer in bubble columns

• Auteur / Autrice : Timo Larsson
• Direction : Arnaud Cockx, Sylvie Gillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Renaud Escudié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Colombet, Frédéric Augier, Yannick Fayolle, Olivier Bremond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Renaud Escudié, Caroline Gentric

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Transfert de masse

Rhéologie

Colonnes à bulles (réacteurs chimiques)

Eaux usées

Surfactants

Mots clés libres

Tensioactifs

Traitement des eaux résiduaires

Colonne à bulles

Rhéologie

Transfert de matière

Hydrodynamique

Surfactants

Wastewater treatment

Bubble column

Rheology

Mass transfer

Hydrodynamics

Résumé

L’apport d’oxygène dans les réacteurs biologiques de traitement des eaux résiduaires représente une part importante de la consommation énergétique des installations. La compréhension de l’impact couplé des composés tensioactifs et du comportement rhéologique des milieux a été identifiée comme primordiale pour optimiser l’aération des bassins. Les mesures in situ, notamment de tailles de bulles, étant peu envisageables en boues activées, l’objectif de ces travaux de thèse était de mesurer précisément les paramètres explicatifs du transfert d’oxygène, et de modéliser les phénomènes observés pour mieux les comprendre et les interpréter, en colonne à bulles et en fluides modèles.Dans un premier temps, un modèle 1D couplant hydrodynamique et transfert d’oxygène a été développé. Celui-ci a été confronté à trois jeux de données de la littérature issues d’expérimentations en colonne à bulles avec de l’eau claire présentant une large gamme de diamètres de bulle, de vitesses superficielles de gaz et de hauteurs d’eau. L’impact de la pression hydrostatique sur les paramètres hydrodynamiques (vitesse superficielle de gaz, diamètre de bulle, rétention gazeuse) n’est pas négligeable, et doit systématiquement être pris en compte selon la hauteur afin de reproduire fidèlement les résultats expérimentaux de rétention gazeuse moyenne. De même, le choix de la loi de traînée des bulles doit être adapté à la qualité de l’eau utilisée (effets de contamination forts ou faibles). Du fait du transfert gaz-liquide, un appauvrissement significatif de la concentration en oxygène dans le gaz a été mis en évidence, et doit être pris en compte pour interpréter correctement les mesures de coefficient de transfert d’oxygène.Ensuite, une colonne à bulles parallélépipédique a été construite afin de réaliser des mesures locales de distributions de tailles de bulles, de rétention gazeuse et de transfert d’oxygène, en fluides modèles pour une hauteur de liquide de 2,9 m et une faible rétention gazeuse (<3%). Les mesures ont été réalisées pour deux diffuseurs de bulles (membrane et capillaire), trois vitesses superficielles de gaz (de 0,5 à 5,2 Nmm/s) et différents fluides transparents : eau claire, eau claire additionnée de tensioactif non ionique à faible concentration (1 mg/L), fluide visqueux newtonien et rhéo-fluidifiant. Les expériences mettent en évidence une rétention gazeuse plus élevée en fluide visqueux et en présence de tensioactif par rapport à l’eau claire, du fait de la diminution de diamètre de bulle et l’augmentation de la traînée. Cela entraîne une aire interfaciale significativement plus élevée (augmentation jusqu’à 140% par rapport à l’eau claire). Par ailleurs, les coefficients de transfert côté liquide sont plus faibles en fluide visqueux et additionnés de tensioactif qu’en eau claire, du fait notamment de la contamination de l’interface gaz/liquide.Enfin, ces résultats expérimentaux sont confrontés aux valeurs simulées à l’aide du modèle 1D, en termes de rétention gazeuse et de coefficient de transfert d’oxygène. En eau claire, la loi de traînée de bulles partiellement contaminées (Tomiyama) permet de reproduire les rétentions gazeuses expérimentales. En fluides visqueux, les rétentions gazeuses expérimentales se situent entre les valeurs calculées pour une loi de traînée de bulles propres (Dijkhuizen) et contaminées. Pour l’ensemble des conditions, les valeurs expérimentales de coefficient de transfert d’oxygène se situent entre les valeurs théoriques du modèle de Higbie (bulles propres) et de Frössling (bulles contaminées), avec différents niveaux de contamination impactant le transfert. Ces données sont caractérisées par le calcul d’angles de contamination pour les différentes tailles de bulles et types de fluides. Finalement, des corrélations reliant le diamètre de bulle au coefficient de transfert côté liquide d’une part, et à l’angle de contamination d’autre part, sont proposées pour servir à l’extrapolation en conditions réelles.

Oxygen supply in biological reactors represents an important part of the energy consumption of the wastewater resource recovery facilities. Understanding the coupled impact of surfactants and rheological behavior of the fluid has been identified as essential to optimize aeration in such tanks. As in situ measurements being unlikely in activated sludge (in particular of bubble size), the aim of this PhD work was to measure precisely governing parameters of oxygen transfer in a bubble column with model fluids, and to model observed phenomena to better understand and to interpret them.First, a comprehensive 1D-model coupling hydrodynamic and oxygen transfer model was developed. It was confronted to three datasets of experiments in bubble columns with clear water from the literature, selected for their broad range of bubble diameter, gas superficial velocity and water height. The impact of hydrostatic pressure on hydrodynamic parameters (gas superficial velocity, bubble diameter, gas hold-up) is not negligible and has to be systematically accounted for along column height to reproduce accurately experimental mean gas hold-up results. Likewise, the bubble drag law choice has to be adapted to the water quality of the considered dataset (high or low contamination effects). Due to gas-liquid mass transfer, a significant oxygen concentration depletion in the gas has been highlighted, and must be taken into account to correctly interpret oxygen mass transfer coefficient measurements.Then, a parallelepiped bubble column was built, in order to carry out local bubble size distribution measurements, gas hold-up and oxygen transfer measurements, with model fluids, a liquid height of 2.9 m and low gas hold-up values (<3%). Measurements were conducted with two bubble diffusers (membrane and capillaries), three gas superficial velocities (from 0.5 to 5.2 Nmm/s), and different transparent synthetic fluids: clear water, clear water with non-ionic surfactants at low concentration (1 mg/L), newtonian and shear-thinning viscous fluid. Experiments highlight a higher gas hold-up in viscous fluids and in presence of surfactant than in clear water, due to bubble diameter decrease and drag increase. It leads to a significantly higher interfacial area (up to 140% increase compared to clear water). Moreover, liquid-side mass transfer coefficients are reduced in viscous fluids and in presence of surfactants than in clear water, in particular because of gas-liquid interface contamination.Finally, experimental results were confronted to the simulated values obtained with the 1D-model, in terms of gas hold-up and oxygen mass transfer coefficient. In clear water, the drag law for partially contaminated bubbles (Tomiyama) reproduces experimental gas hold-up values. In viscous fluids, experimental gas hold-up values are comprised between the simulated values obtained with drag laws for clean (Dijkhuizen) and contaminated bubbles. For all conditions, values of experimental oxygen mass transfer coefficient range between theoretical calculated values using Higbie (clean bubble) and Frössling (contaminated bubble) mass transfer models, with various contamination levels impacting mass transfer. These data are characterized by contamination angles calculated for the different bubble sizes and fluid types. Finally, correlations linking bubble diameter to liquid-side mass transfer coefficient on one hand, and to transfer contamination angle on the other hand, are proposed to be used for extrapolation to real conditions.