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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/277242444 Analyse et étude comparative des performances hydrodynamiques et de transfert de matière gaz/liquide dans trois types de réacteurs polyphasiques : Colonnes à bulles, Airlift rectan... Article · May 2006 CITATIONS 5 READS 287 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Water treatment View project Multiphase reactors View project Gourich Bouchaib high school of Technology, Casablanca, Morocco 37 PUBLICATIONS 1,022 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Gourich Bouchaib on 05 May 2016. The user has requested enhancement of the downloaded file. UNIVERSITE MOHAMMED V-AGDAL FACULTE DES SCIENCES RABAT NUMERO D’ORDRE : 2307 THESE DE DOCTORAT D’ETAT Présentée par BOUCHAIB GOURICH Discipline : Chimie Spécialité : Génie des Procédés ANALYSE ET ETUDE COMPARATIVE DES PERFORMANCES HYDRODYNAMIQUES ET DE TRANSFERT GAZ-LIQUIDE DANS TROIS TYPES DE REACTEURS POLYPHASIQUES : COLONNE A BULLES, AIRLIFT RECTANGULAIRE ET EMULSAIR Soutenue le 29 mai 2006, devant le jury Président : M. BELHAJ SOULAMI Professeur à l’Ecole Nationale de l’Industrie Minérale (ENIM), Rabat Rapporteurs : H. DELMAS Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques (ENSIACET), Toulouse A. TOUZANI Professeur à l’Ecole Mohammadia des Ingénieurs (EMI), Rabat Examinateurs M. ZIYAD Professeur à la Faculté des Sciences, Rabat M. KACIMI Professeur à la Faculté des Sciences, Rabat G. WILD Directeur de Recherche au CNRS-ENSIC, Nancy SOMMAIRE GENERAL AVANT-PROPOS RESUME……………………………………………………………………………………i INTRODUCTION GENERALE………………………………………………………….1 PREMIER CHAPITRE :……………………………………………………………….…9 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DEUXIEME CHAPITRE :………………………………………………………………61 IDENTIFICATION DES REGIMES D’ECOULEMENT ET DES TRANSITIONS DE REGIME DANS UNE COLONNE A BULLES PAR ANALYSE D’UN SIGNAL DE PRESSION DIFFERENTIELLE : INFLUENCE D’UN SYSTEME INHIBITEUR DE COALESCENCE TROISIEME CHAPITRE :………………………………………………………………88 AMELIORATION DE L’ESTIMATION DU COEFFICIENT DE TRANSFERT D’OXYGENE DANS UNE COLONNE A BULLES QUATRIEME CHAPITRE :……………………………………………………………124 ETUDE DE L’HYDRODYNAMIQUE, DU MELANGE ET DU TRANSFERT DE MATIERE GAZ-LIQUIDE DANS UN REACTEUR AIRLIFT RECTANGULAIRE A RECIRCULATION INTERNE CINQUIEME CHAPITRE :…………………………………………………………….149 MESURE SIMULATANEE DE LA RETENTION GAZEUSE ET DU COEFFICIENT DE TRANSFERT DE MATIERE GAZ-LIQUIDE PAR LA TECHNIQUE DYNAMIQUE DU TRAÇAGE AU GAZ DANS UN REACTEUR EMULSAIR SIXIEME CHAPITRE :…………………………………………………………………167 INFLUENCE DES PARAMETRES GEOMETRIQUES ET DES CONDITIONS OPERATOIRES SUR L’HYDRODYNAMIQUE ET LE TRANSFERT DE MATIERE DANS UN REACTEUR EMULSAIR CONCULSION GENERALE ET PERSPECTIVES…………………………………196 ANNEXES AVANT-PROPOS Les travaux présentés dans ce domaine ont été effectués au laboratoire physico-chimie des matériaux et de catalyse de la faculté des sciences de Rabat. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec les laboratoires de Génie des Procédés de l’Ecole Supérieure de Technologie de Casablanca (ESTC) et d’Ingénierie des Procédés et Environnement de l’Ecole Nationale de l’Industrie Minérale (ENIM) de Rabat. Je remercie Monsieur Mahfoud ZIYAD pour avoir assuré la direction de ma thèse. Je remercie également Monsieur Mohammed BELHAJ SOULAMI, Professeur à l’Ecole Nationale de l’Industrie Minérale de Rabat, pour ces conseils précieux le long de mon travail de thèse. Je ne saurais trop le remercier pour l’intérêt qu’il a accordé à ce travail et pour les longues heures de discussion qu’il m’a réservées avec une patience inégale. J’ai beaucoup apprécié ses qualités scientifiques et humaines, je le remercie pour l’honneur qu’il me fait en président ce jury de thèse. Je tiens à remercier Monsieur le Professeur Mohamed KACIMI pour avoir accepté de participer à ce jury de thèse. Qu’il trouve ici l’expression de ma vive gratitude Je tiens à remercier Messieurs Abdelatif TOUZANI, Professeur à l’Ecole Mohammadia des Ingénieurs et Henri DELMAS, Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques (ENSIACET) de Toulouse, qui ont accepté d’être des rapporteurs de ce travail. Monsieur Gabriel WILD, Directeur de recherche du département de Chimie Physique des réactions au CNRS-ENSIC de Nancy a bien voulu examiner ce travail. Je suis particulièrement honoré de sa présence. Qu’il me permette de lui exprimer mes respectueux remerciements. Je tiens à remercier l’ensemble du personnel (enseignants et chercheurs) du laboratoire de Génie des Procédés de l’ESTC, pour leur soutien et leur esprit d’équipe. i RESUME Ce travail a été consacré à l’étude des caractéristiques hydrodynamiques et de transfert de matière gaz-liquide de trois types de réacteurs à savoir une colonne à bulles, un réacteur airlift rectangulaire à boucle de recirculation interne et un réacteur polyphasique à base de venturi à émulsion (réacteur Emulsair). IL s’agissait également de comparer leurs performances en fonction de l’énergie spécifique consommée pour réaliser ce transfert. Cette étude a comporté trois parties : • Identification des régimes d’écoulement et des transitions de régime par l’analyse d’un signal de pression différentielle et l’amélioration de l’estimation du coefficient de transfert d’oxygène dans une colonne à bulles, • Etude de l’hydrodynamique, du mélange et du transfert de matière gaz-liquide dans un réacteur airlift rectangulaire à boucle de recirculation interne, • Influence des paramètres géométriques et des conditions opératoires sur l’hydrodynamique et le transfert de matière gaz-liquide dans un réacteur Emulsair. L’étude hydrodynamique en colonne à bulles a montré qu’un signal de pression différentielle peut être utilisé pour déterminer les transitions de régime d’écoulement à partir des traitements usuellement appliqués à une mesure directe de la pression pour le système eau-air. Des différences dues au type de capteur de pression ont cependant été observées en comparaison avec les résultats de Vial et coll. (2000) obtenus avec un capteur de pression absolue affleurant notamment par les analyses spectrales, fractales et le chaos déterministe. Les résultats obtenus ont également montré l’applicabilité de ces méthodes pour l’indentification des régimes d’écoulement avec des systèmes inhibiteurs de coalescence (air-solution aqueuse de propanol 0,05 v/v). Dans ce cas, la transition est retardée à des vitesses superficielles de gaz plus élevées, mais elle est beaucoup plus brutale que pour l’eau pure. Ainsi, la zone de transition classiquement observée avec cette dernière disparaît en présence d’une faible quantité de propanol au profit d’un régime homogène étendu qui se poursuit jusqu’à un « point de transition retardé». Celle-ci est située approximativement à la même vitesse superficielle que le passage de la transition au régime hétérogène établi pour l’eau pure. Une comparaison des méthodes a montré que l’analyse de la fréquence moyenne (fm) des DSP (Densité Spectrale de Puissance) entre 0- 25 Hz représente la meilleure option parmi les traitements du signal étudiés. A l’issue de cette étude hydrodynamique, nous avons mis en évidence les résultats erronés qui peuvent être obtenus pour l’estimation du coefficient de transfert de matière gaz-liquide KLaL par la méthode d’oxygénation dynamique dans la colonne à bulles. Pour cela six modèles d’écoulement et ii d’analyse du transfert de matière ont été comparés, chacun avec ses propres hypothèses. Les résultats obtenus ont montré que les valeurs de KLaL dépendent du modèle choisi. L’hydrodynamique, la dispersion axiale dans la phase liquide et le transfert de matière gaz-liquide ont été étudiés dans un réacteur airlift rectangulaire à recirculation interne. Des corrélations décrivant la rétention gazeuse globale, la vitesse de circulation du liquide et le coefficient de transfert gaz-liquide ont été comparées aux données de la littérature obtenues sur des réacteurs analogues d’un volume variant entre 4,7 à 4600 l pour analyser les effets d’échelle (Couvert et coll., 2001 ; Couvert et coll., 2004). Une recirculation partielle des petites bulles a été observée dès que la vitesse du gaz dans le riser Ugr atteint 0,03 m.s-1, ce qui a été attribué au type de distributeur. Le temps de mélange et le coefficient de dispersion axiale semblent être indépendants de Ugr dans la gamme étudiée. Par comparaison aux travaux de la littérature, un rapport KL/dB (où dB est le diamètre moyen des bulles) plus élevé a été trouvé. Cela a été expliqué par la recirculation partielle du gaz. Alors que les effets d’échelle restent faibles, l’utilisation d’un distributeur favorisant une recirculation partielle du gaz améliore le transfert de matière dans le réacteur parce que les deux sections (riser et downcomer) y contribuent alors significativement. Enfin, l’étude expérimentale sur le réacteur Emulsair a montré que les performances de transfert de matière gaz-liquide du réacteur dans les conditions de débit de gaz imposé ou d’autoaspiration sont similaires, ce qui confirme que l’autoaspiration est préférable d’un point de vue économique. En augmentant le débit liquide, une transition hydrodynamique a été mise en évidence entre les deux régimes annulaire et homogène. Cette transition peut être déterminée en autoaspiration à partir du maximum du rapport QG/QL lorsqu’il est représenté en fonction de QL. Une forte influence des paramètres géométriques de la cuve de séparation sur l’hydrodynamique a été également observée. A partir des données et des corrélations de la littérature les performances du dispositif Emulsair ont été comparées avec celles de deux colonnes à bulles, du réacteur airlift et de la cuve agitée aérée par autoaspiration équipée d’une turbine à double disque et huit pales droites (Poncin et coll., 2002). Les résultats expérimentaux ont montré que le taux de rétention du gaz le plus élevé est atteint dans le venturi quel que soit le débit de gaz, alors que le dispositif Emulsair (cuve + venturi) présente au contraire toujours les taux de gaz les plus faibles. Du point de vue du transfert de matière, c’est la uploads/Science et Technologie/ analyse-et-etude-comparative-des-performances.pdf