Etude par cfd de l'influence des internes sur l'hydrodynamique en monophasique d'une colonne

INFLUENCE DES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES SUR LA DISTRIBUTION DE TAILLES DE BULLES

Hélène CHAUMAT¹, Anne-Marie BILLET-DUQUENNE¹, Gilles HEBRARD²,

Frédéric Augier³, Corinne MATHIEU³, Henri DELMAS<sup>1

1</sup> Laboratoire de Génie Chimique - 5, Rue Paulin Talabot - B.P. 1301 - 31106 Toulouse cedex 1

² LIPE – INSA – 135, av. de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4

³ Rhodia, Centre de Recherche de Lyon, 85 av. des Frères Perret, B.P 62, 69192 St Fons cedex
[e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail]
Résumé
La connaissance de la distribution de tailles de bulles en contacteur à bulles est essentielle, car elle a une grande influence sur le taux de vide et le transfert de matière. Entre autres paramètres, cette distribution est très sensible à la physico-chimie du liquide ; il est donc primordial de savoir dans quelle mesure elle modifie la distribution. Cet effet est souvent abordé dans la littérature mais les études réalisées se limitent souvent à l’ajout d’additifs au milieu de référence : l’eau; cependant les comportements en système gaz-liquide des milieux liquides purs ne peuvent pas tous être représentés par des mélanges aqueux.

L’étude abordée ici consiste à étudier, à l’aide d’une caméra rapide, l’effet des propriétés physico-chimiques (densité liquide, viscosité et tension superficielle) sur la distribution de taille de bulles dans un appareillage de taille réduite de type ‘aquarium’. Le choix des milieux a été délicat, puisqu’il a fallu trouver des liquides purs ne différant que par une seule propriété.

- Le décane et le cyclohexane permettent de comparer deux liquides de propriétés physico-chimiques très proches,

- L’eau permet d’évaluer l’effet de la tension superficielle et de la densité,

- Le butanol permet d’évaluer l’effet de la viscosité.

Par ailleurs des mélanges de liquides sont également étudiés, afin d’évaluer les différences entre les milieux purs et les mélanges. Cette étude permet ainsi d’évaluer la validité de la démarche industrielle répandue qui consiste à modéliser le comportement des liquides organiques en contacteur à bulles par des mélanges aqueux.

L’observation générale de l’évolution des distributions de tailles de bulles avec la vitesse d’éjection du gaz et la hauteur d’analyse conduit à dissocier deux populations de bulles. La première, centrée autour de 4 à 6mm, prédomine à faibles vitesses ; lorsque la vitesse augmente, cette population se décale vers les grands diamètres et une seconde population de petites bulles (de l’ordre de 1mm) apparaît et devient majoritaire (en nombre) à forts débits gazeux. La tension superficielle agit alors sur ces deux populations : elle diminue la taille des bulles moyennes et favorise le développement d’une seconde population de petites bulles, même à faible vitesse d’injection. L’augmentation de la viscosité pour sa part conduit à la formation de bulles plus grosses, mais augmente également la proportion de petites bulles. La densité en revanche ne semble avoir aucun effet majeur. Par ailleurs, l’ajout à l’eau d’additifs de type alcool modifie profondément la distribution de taille de bulles, mais les effets observés ne peuvent être ramenés à une variation de tension superficielle ou de viscosité. Il en découle qu’un mélange ne peut servir de modèle pour un liquide pur ; seul un liquide pur de tension superficielle très proche du milieu réel permet de représenter correctement la distribution de taille de bulles.

Ces observations restent désormais à valider en colonne de grande taille.