Soutenance mémoire
Le transfert de matière gaz-liquide
Les contacteurs gaz – liquides
Les contacteurs gaz-liquides sont utilisés dans de très nombreux procédés ; dans l’industrie alimentaire par les procédés de fermentations, en médecine dans le contrôle de l’oxygénation du sang, ou encore dans les procédés de traitement de l’eau et des effluents gazeux. Le principe des contacteurs gaz – liquide est de mettre plusieurs phases en présence pour assurer le transfert de matière d’un élément d’une phase à l’autre.
Les différents types de contacteurs gaz-liquides
Il existe de nombreuses méthodes pour mettre en oeuvre un contact gaz-liquide, le procédé choisi dépendant le l’application. On peut citer (Roustan (2003)) :
Les colonnes à bulles. Dans ce type de contacteur, des bulles sont générées en bas d’une colonne et distribuées sur toute sa section. Les bulles montent alors en ascension libre au sein de la phase liquide. Les colonnes à bulles peuvent fonctionner à co-courant ou à contre courant de liquide et de gaz. L’utilisation des colonnes à bulles est généralement conseillée dans le cas d’échanges à réaliser avec des composés peu solubles dans l’eau ou en présence de réactions chimiques lentes au sein du liquide.
Les air lifts. Ils sont généralement utilisés dans le domaine des fermentations et du traitement de l’eau par voie biologique, en raison d’un fonctionnement souple et d’un faible coût de maintenance. Dans ce type de réacteur la phase liquide circule en boucle fermée, entraînée par l’injection du gaz.
Les réacteurs agités mécaniquement. Dans ce type de contacteur, le gaz est introduit sous un agitateur dont le rôle est de favoriser la dispersion du gaz en fines bulles dans le liquide, ceci permettant d’augmenter l’aire interfaciale et donc les flux de matière transférée. Il est conseillé d’utiliser ces réacteurs pour réaliser des oxydations avec des cinétiques de réactions moyennement rapides. Ce type de réacteur entraîne un coût lié à l’agitation, généralement de l’ordre du kW par m3 .
Les microréacteurs. Ce sont des systèmes fabriqués par des techniques de microfabrication, dont les largeurs ou les diamètres sont généralement de l’ordre de 1 à 1000 µm et dont les géométries sont variables (T ou Y, division et recombinaison des courants, convergeance hydrodynamique.). Ce type de réacteur présente de nombreux avantages en terme de sécurité, de coût et de maîtrise en raison de sa petite taille mais il offre également un rapport extrêmement élevé entre surface et volume (Aubin & Xuereb (2008)).
Exemple d’application en traitement d’eaux usées
Parmi les exemples d’applications des contacteurs gaz -liquides dans l’industrie, nous décrirons celle qui fait l’objet du contexte de cette thèse : le transfert de l’oxygène pour le traitement des eaux usées urbaines et industrielles. L’objectif d’une station de traitement des eaux usées est d’effectuer des traitements pour que l’eau atteigne une qualité suffisante pour être rejetée dans le milieu naturel. Après un traitement primaire pour éliminer les éléments les plus grossiers de l’eau usée (dégrillage, dégraissage, déssablage), un second traitement biologique est généralement effectué .
Il s’agit, dans cette seconde étape, de dégrader la pollution azotée et carbonée dissoute dans l’eau à l’aide de bactéries aérobies capables d’assimiler naturellement la matière organique et de nitrifier l’azote ammoniacal. Ces bactéries consomment de l’oxygène et ont donc besoin d’un apport continu de ce dernier, qui peut se faire via des aérateurs. Le dimensionnement du contacteur gaz – liquide est primordial pour assurer l’efficacité du procédé d’une part, et pour optimiser les coûts énergétiques d’autre part. En effet l’alimentation nécessaire à l’insufflation d’air dans le bassin est réalisée à l’aide de gros compresseurs dont la dépense énergétique représente 60 à 80% de la dépense énergétique totale de la station d’épuration. Cette dépense énergétique varie beaucoup en fonction de la composition de l’eau. En effet, dans les bassins de station des eaux résiduaires urbaines, les eaux contiennent de nombreux polluants qui peuvent altérer le transfert de matière.
Des études restent donc nécessaires pour réduire les coûts et augmenter les performances du bassin qui dépendent directement des variables de conception et de fonctionnement de ces bassins (Gillot et al. (2005)). Garcia-Ochoa & Gomez (2009) présentent le transfert de matière de l’oxygène d’une bulle d’air vers le microorganisme comme une succession de films à franchir, caractérisés par des coefficients de transfert ki que nous décrirons par la suite.
Afin de comprendre quels sont les paramètres importants à prendre en compte pour le dimensionnement et l’optimisation des contacteurs gaz – liquide, il est important de décrire correctement les mécanismes régissant le transfert de matière.
Modèles de transfert
La liste des modèles décrivant les phénomènes de transfert est longue et cette partie n’a pas pour objectif de tous les citer. Nous allons donc ici faire une description des modèles les plus couramment utilisés.
Le modèle de la pénétration ou de Higbie
Le modèle de Higbie (1935) considère que la diffusion d’un composé a lieu à travers un film en régime transitoire. Selon ce modèle, un fluide turbulent est en contact avec une phase gazeuse. Un paquet de fluide appelé tourbillon, venant de la phase liquide et de concentration uniforme [O2] arrive au niveau de l’interface de concentration [O2]i et reste exposé à la phase gazeuse pendant un temps tc (s) très court, pendant lequel il se charge par diffusion.
Le modèle de Danckwerts : théorie du renouvellement de surface
Le modèle de Danckwerts (1951) vient nuancer le modèle de Higbie dans le sens où il considère que tous les éléments de surface ne sont pas exposés au même temps de contact tc mais plutôt que l’interface est constituée d’une multitude de volumes dont le temps d’exposition est compris entre tc et tc + dt. Le modèle introduit donc la variable s (exprimée en s−1 ) désignant la fréquence de renouvellement des petits volumes en contact avec l’interface.
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Table des matières
Introduction générale
I Etat de l’art
I.1 Le transfert de matière gaz-liquide
I.1.1 Les contacteurs gaz – liquides
I.1.1.1 Les différents types de contacteurs gaz-liquides
I.1.1.2 Exemple d’application en traitement d’eaux usées
I.1.2 Théorie sur le transfert de matière
I.1.2.1 La diffusion moléculaire
I.1.2.2 Le transfert de matière
I.1.3 Modèles de transfert
I.1.3.1 Le modèle du double film de Lewis et Whitman
I.1.3.2 Le modèle de la pénétration ou de Higbie
I.1.3.3 Le modèle de Danckwerts : théorie du renouvellement de surface
I.1.4 Modèles prédictifs du coefficient de transfert par corrélation dans le cas d’écoulements à bulles
I.1.4.1 Définitions des principaux nombres adimensionnels
I.1.4.2 Cas des bulles de diamètre supérieur à 2,5 mm
I.1.4.3 Cas de bulles de diamètre inférieur à 2,5 mm
I.1.5 Méthodes de mesures appliquées au transfert de matière gaz-liquide
I.1.5.1 Méthodes globales utilisant une sonde à oxygène
I.1.5.2 Méthodes de visualisation
I.1.6 Conclusion intermédiaire
I.2 Tension de surface et rhéologie
I.2.1 La tension de surface
I.2.1.1 Origines de la tension de surface
I.2.1.2 Méthodes de mesure
I.2.1.3 Les tensioactifs
I.2.1.4 Les modèles d’adsorption des tensioactifs
I.2.1.5 La cinétique d’adsorption des tensioactifs à l’interface (Eastoe & Dalton (2000))
I.2.2 Rhéologie
I.2.2.1 Définitions
I.2.2.2 Les différents comportements rhéologiques des fluides
I.2.2.3 Méthodes de mesure
I.2.3 Conclusion intermédiaire
I.3 Influence des propriétés de la phase liquide sur le transfert de matière
I.3.1 Effet des tensioactifs sur le transfert de matière
I.3.1.1 Effet des tensioactifs : modifications physico-chimiques et hydrodynamiques
I.3.1.2 Influence de la concentration en tensioactifs
I.3.1.3 Influence de la structure des tensioactifs
I.3.2 Effet de la rhéologie de la phase liquide sur le transfert de matière
I.3.3 Effet couplé de la tension de surface et de la rhéologie de la phase liquide sur le transfert de matière
I.4 Conclusion de la synthèse bibliographique
II Matériels et méthodes
II.1 Mesures de transfert de l’oxygène – Dispositif expérimental PLIF-I
II.1.1 Fluorescence et inhibition de fluorescence
II.1.2 Dispositif expérimental
II.1.3 Visualisation de la fluorescence
II.1.3.1 Courbe de calibration
II.1.3.2 Traitement des images
II.1.3.3 Modélisation du signal traité
II.1.4 Taille et vitesse des bulles
II.1.5 Détermination du coefficient de transfert gaz/liquide de l’oxygène côté liquide
II.1.5.1 Calcul du kL
II.1.5.2 Estimation des incertitudes
II.1.6 Détermination du coefficient de diffusion
II.2 Visualisation de composés fluorescents en canaux
II.3 Caractérisation physico-chimique des solutions
II.3.1 Rhéologie et masse volumique des phases liquides
II.3.2 Étude de l’adsorption des tensioactifs aux interfaces
II.3.2.1 Mesures de tension de surface
II.3.2.2 Construction d’isothermes d’adsorption
II.3.3 Présentation des phases liquides étudiées
III Étude de l’influence couplée de la viscosité et de la tension de surface sur le transfert de matière gaz/liquide de l’oxygène
III.1 Systèmes étudiés
III.1.1 Composés et solutions
III.1.2 Physico-chimie des systèmes étudiés
III.2 Paramètres hydrodynamiques des bulles générées
III.3 Mesures des flux transférés
III.4 Comparaison aux corrélations existantes et discussions des modèles
III.4.1 Comparaison des résultats expérimentaux aux modèles
III.4.2 Modifications physico-chimiques au voisinage de l’interface
III.4.2.1 Estimation d’un coefficient de diffusion de l’oxygène modifié
III.4.2.2 Estimation d’une valeur de saturation de l’oxygène propre à une surconcentration en tensioactifs
III.5 Conclusion
IV Comment visualiser les tensioactifs aux interfaces et au voisinage de l’interface ?
Conclusion générale
