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Master 1 Génie Chimique Page 1 I-7 Technologie des colonnes d’absorption : Les

Master 1 Génie Chimique Page 1 I-7 Technologie des colonnes d’absorption : Les principales familles des colonnes utilisées en absorption sont :  Les colonnes garnies  Les colonnes à plateaux Le phénomène physique qui régit l’absorption est la diffusion à contre courant qui s’instaure entre la phase liquide et la phase gazeuse. Les transferts de matière et de chaleur s’établissent au moyen de dispositifs de contact qui engendrent de grandes surfaces d’échanges entre les deux phases. Pour ce faire, il existe deux variantes possibles :  dispersion du gaz dans une phase liquide continue, c’est le cas de l’absorption dans une colonne à plateaux.  Dispersion d’un liquide dans une phase gazeuse continue, c’est le cas de l’absorption dans une colonne à garnissage. Colonne à garnissage (en vrac) Colonne à plateaux I-8 Les colonnes garnies : I-8-1 Les différents types de garnissage ; Le garnissage est constitué de petits éléments qui sont disposés en vrac ou rangés (structure ordonnée). Le premier type de garnissage utilisé était constitué de petits cylindres creux de Master 1 Génie Chimique Page 2 diamètre extérieur égal à sa hauteur appelé anneaux Raschig, réalisés en céramique ou en métal. Anneaux Raschig en céramique Garnissage en vrac Garnissage structuré I-8-2 Construction des colonnes garnies : Le fonctionnement d’un lit de garnissage dépend essentiellement de :  la distribution de la phase liquide et de la phase gazeuse.  du choix d’une dimension nominale du garnissage compatible avec le diamètre intérieur de la colonne.  du ruissellement de la phase liquide dans le lit du garnissage.  de la turbulence et du mouillage du garnissage qui favorisent l’échange de matière entre les deux phases. I-8-3 Dimensionnement des colonnes garnies : Le dimensionnement d’une colonne d’absorption nécessite essentiellement la détermination de sa hauteur totale ainsi que son diamètre. Ce sont ces deux paramètres qui impactent directement le coût de la colonne et ainsi le coût d’investissement du procédé. I-8-3-1 Hydrodynamique des colonnes garnies – Calcul du diamètre de la colonne : Lorsqu’on fait circuler un liquide et un gaz à contre courant à travers un lit de particules solides, on constate que les interactions entre les deux écoulements sont d’autant plus importantes que les débits sont plus élevés. L’étude expérimentale de la variation de la perte de charge en fonction du débit de gaz pour différentes valeurs du débit liquide, montre l’existence de trois domaines (cf figure 11). Master 1 Génie Chimique Page 3 Figure 11 : Variation des pertes de charge en fonction du débit gazeux pour différentes valeurs de débit liquide A débit liquide nul, les pertes de charges sont dues à la friction du fluide dans les interstices du garnissage, elles sont alors approximativement proportionnelles au carré de la vitesse du gaz. En coordonnées logarithmiques, la courbe représentative est une droite de pente voisine de 2. Le premier domaine, à débit liquide non nul, correspond aux faibles valeurs du débit gazeux. Le liquide s’écoule dans le garnissage en n’en mouillant qu’une partie. Les interactions entre les deux écoulements sont négligeables. La variation de ΔP en fonction de G a donc la même allure que le cas précédent. Dans ce domaine, l’augmentation du débit gazeux a pour effet principal d’accroitre la proportion de la surface mouillée. Lorsque le débit gazeux atteint une certaine valeur, correspondant au mouillage à peu près complet du garnissage, les interactions deviennent alors suffisantes pour gêner la descente du liquide qui, à son tour, diminue l’espace libre offert à l’écoulement du gaz. Une partie de l’énergie du flux gazeux est donc utilisée pour maintenir en suspension une certaine quantité de liquide dans le garnissage. Les pertes de charges deviennent alors proportionnelles à une puissance notablement supérieure à 2 de la vitesse du gaz. On observe un changement de pente dans la droite log (ΔP) = f(log G). La région correspondante est la zone de charge de la colonne, le point de discontinuité est le point de charge (C1, C2, C3). Si l’on continue d’augmenter le débit gazeux, le volume de liquide retenu dans le garnissage augmente rapidement jusqu’à obstruer les interstices du garnissage. Le liquide ne peut plus s’écouler à travers le garnissage et forme une phase continue : c’est l’engorgement. La Master 1 Génie Chimique Page 4 variation de ΔP devient alors extrêmement rapide. Le point de discontinuité apparaissant sur la courbe log(ΔP) = f(log G) est le point d’engorgement (E1, E2, E3). L’étude quantitative du phénomène montre que les paramètres à prendre en considération sont :  G : la vitesse massique du gaz (kg/s)  L : la vitesse massique du liquide (kg/s)  ρG, ρL : les masses volumiques du gaz et du liquide respectivement (kg/m3).  µL : la viscosité dynamique du liquide en centi-poises (1cP)  g : accélération de pesanteur (m/s2)  a : la surface volumique du garnissage (m-1)  ε : la porosité du lit LOBO, en se basant sur les travaux de SHERWOOD, a déterminé la vitesse massique du gaz à l’engorgement notée par Uf à l’aide d’une corrélation graphique entre les nombres suivants : A = Uf 2.(F/g). (ρH2O/ρL).( ρG/ ρL).µL 0,2 et B = (L/G).( ρG/ρL)0,5. Avec F = a/ ε3 qui représente le facteur de forme du garnissage Ainsi la détermination de la vitesse du gaz à l’engorgement Uf est obtenue à l’aide graphe de LOBO suivant : Abaque généralisé représentant l’engorgement et les pertes de charge dans les colonnes garnies Master 1 Génie Chimique Page 5 On note que l’échelle de l’abaque est logarithmique. En pratique, on travaille avec une vitesse de gaz correspondant à 50-80% de celle à l’engorgement afin d’éviter ce phénomène qui paralyse l’opération d’absorption, ainsi : U = 0,5-0,8.Uf sachant que G = S.U = ( π.d 2)/4 . U S étant la section droite de la colonne D’où le diamètre de la colonne sera : d = (4.G/ π.U)0,5 Par ailleurs, dans le cas où ρL>> ρG, la vitesse du gaz à l’engorgement peut être calculée à partir de l’équation suivante : Log Uf 2.(a/ ε3.g).( ρG/ ρL).µL 0,16 = C – 1.75 (L/G)0,25.( ρG/ ρL)0,125 C : constante caractéristique du type de garnissage C = 0,022 pour les garnissages spiralés ou sous forme d’anneaux I-8-3-2 Calcul de la hauteur des colonnes garnies a) Introduction La hauteur de la colonne peut être déterminée de deux manières :  En utilisant la notion de la hauteur équivalente à un plateau théorique (HEPT) et dans ce cas, la hauteur s’écrit : H = NTh. HEPT Cette méthode consiste à assimiler une colonne à une superposition de plateaux théoriques. Elle conduit à une présentation éloignée de la réalité. Il serait donc préférable de traiter la colonne à garnissage comme un milieu continu et lui appliquer un calcul différentiel au moyen des méthodes cinétiques qui impliquent une connaissance approfondie des coefficients de transfert de matière entre les phases.  A la suite des travaux de Chilton et Colburn, on peut utiliser la notion du nombre d’unité de transfert (NUT), grandeur statique adimensionnelle et celle de la hauteur d’une unité de transfert (HUT), grandeur dynamique qui dépend de l’appareil utilisé, du type de garnissage et du coefficient de transfert de masse. Ainsi la hauteur totale de la colonne s’obtient : H = HUTG.NUTG = HUTL.NUTL Master 1 Génie Chimique Page 6 b) Le transfert de masse dans les colonnes garnies L’absorption, aussi appelée lavage de gaz, est l’opération unitaire qui consiste à transférer un soluté de la phase gazeuse vers la phase liquide. La vitesse du transfert est proportionnelle à la fois à la surface d’échange entre les deux phases mais aussi au potentiel de transfert, correspondant d’une part à la différence entre la pression partielle en soluté dans la phase gazeuse et la pression d’équilibre avec le liquide et à la différence entre la concentration en soluté dans la phase liquide et la concentration d’équilibre avec le gaz. Nous aborderons le transfert de masse au cours de l’opération d’absorption physique (sans réaction chimique) et de l’absorption avec réaction chimique. b.1) Transfert de matière entre la phase gazeuse et la phase liquide dans l’absorption physique : Le transfert d’un composé depuis la phase gazeuse vers la phase liquide dépend, d’une part, de l’équilibre thermodynamique entre les deux phases et, d’autre part, des transferts simultanés à l’intérieur de chacune des deux phases. Les conditions existant à proximité de l’interface étant très difficiles à observer, ou à explorer expérimentalement, plusieurs théories ont vu le jour afin de quantifier le transfert entre les deux phases ; ces théories étant basées sur le fait que la résistance au transfert de masse se trouve localisée près de l’interface. b.1.1 Théorie du double film : S’il n’y a pas équilibre entre les deux phases en présence, il y a nécessairement transfert global de matière dans un sens tendant à le réaliser. Dans le cas général où les phases sont en mouvement turbulent, la mécanique des fluides nous renseigne de l’existence dans chacune des phases d’un film, ou sous-couche limite, laminaire près de l’interface. La uploads/Litterature/ tirage-cours-absorption-3-m1-gc.pdf