Caractérisation du transfert de masse à l’interface liquide-liquide dans les procédés sidérurgiques

Liquid-liquid mass transfer characterization applied to metallurgical process

• Auteur / Autrice : Nelson Joubert
• Direction : Stéphane Zaleski, Pascal Gardin, Stéphane Popinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 18/02/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Suzie Protière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chattopadhyay Kinnor, Dieter Bothe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Vincent, Éric Climent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Couche limite

Transfert de masse

Modélisation CFD

Écoulement polyphasique

Mots clés libres

Écoulement multiphasique

CFD

DNS

Maquette

Hydrodynamique

Transfert de masse

Multiphase flow

Reduced-scale experiment

DNS

Résumé

Pour caractériser le transfert de masse entre l’acier liquide et une autre phase liquide dans le cas d’une cuve agitée avec injection d’argon utilisée dans les procédés sidérurgiques, on utilise une maquette utilisant de l’eau à température ambiante. De plus, on réalise une simulation numérique directe avec maillage adaptatif dynamique de la maquette. Les résultats expérimentaux et numériques montrent que la surface de l’« open eye » augmente avec le débit d’air ainsi qu’une fragmentation de la couche d’huile ayant lieu pour des débits similaires. Par la suite, les mesure du transfert de masse du thymol entre l’eau et l’huile montrent que le transfert de masse augmente de manière abrupte lorsque le débit d’air dépasse une valeur critique pour lequel on observe une importante formation de gouttes d’huile. Les résultats numériques présentent une variation de la concentration de traceur principalement le long de l’interface eau-huile comme attendu dans l’expérience. Cependant, à partir de la quantité limitée de simulations on n’observe pas l’augmentation abrupte du transfert de masse vu avec les résultats expérimentaux. Enfin, des corrélations du transfert de masse ont été établies à partir d’analyse basée sur la théorie de la couche limite. Ces corrélations donnent de relativement bonne prédiction du premier régime de transfert de masse pour les résultats expérimentaux.

In order to characterize the mass transfer between the liquid steel and another liquid phase in the case of a stirred tank with injection of argon used in steelmaking processes, a scale experiment using water at room temperature is chose. In addition, a direct numerical simulation of the experiment is carried out with dynamic adaptive mesh. The experimental and numerical results show that the "open eye" area increases with the air flow rate as well as a mechanism of fragmentation of the oil layer taking place at similar flow rates. Subsequently, the measurements of the mass transfer of thymol between water and oil show that the mass transfer increases abruptly when the air flow rate exceeds a critical value for which a significant formation of oil droplets is observed. Numerical results show a variation of the concentration of tracer mainly along the water-oil interface as expected in the experiment. However, from the limited amount of numerical simulations one does not observe the abrupt increase in mass transfer seen with the experimental results. Finally, mass transfer correlations were established from analysis based on boundary layer theory. These correlations give a relatively good prediction of the first mass transfer regime for the experimental results.