4.2.1 Absorption en cuve agit´ee
Description
Un sch´ema de l’installation est pr´esent´e en figure 4.2. Celle-ci est compos´ee d’une
section d’alimentation, d’un r´eacteur agit´e et d’un module d’analyse. La premi`ere partie
permet de r´ealiser le m´elange de m´ethane et de dioxyde de carbone qui est ensuite inject´e
dans le bas du r´eacteur `a travers un fritt´e. En sortie du r´eacteur, le m´elange gazeux est
refroidi pour condenser les vapeurs et sa composition est d´etermin´ee par un analyseur
infrarouge en ligne. Un by-pass permet de conduire le m´elange gazeux directement `a
l’analyseur pour v´erifier la composition `a l’entr´ee.
Le r´eacteur est une cuve d’un volume de 1 litre (diam`etre int´erieur de 10 cm) ´equip´ee
d’un agitateur `a 4 pales inclin´ees et de 4 chicanes pour ´eviter la formation d’un vortex
(figure 4.3). Une unit´e de refroidissement contenant un module Peltier sert `a s´echer le
gaz sortant du r´eacteur.
La composition du gaz est mesur´ee grˆace `a un analyseur infrarouge en ligne (figure
4.4). L’analyseur contient deux cellules de mesure par infrarouge non dispersif consacr´ees
`a l’analyse du m´ethane et du dioxyde de carbone ainsi qu’une cellule ´electrochimique
pour l’analyse du sulfure d’hydrog`ene. Les sp´ecifications compl`etes de l’analyseur sont
disponibles en annexe A.
Param`etres et protocole op´eratoires
Le r´eacteur est d’abord isol´e du reste de l’installation. Le gaz est directement soumis
`a l’analyseur pour en v´erifier la composition. Pour la simplicit´e des calculs, le biogaz
synth´etique est compos´e de 50% de CO2 et de 50% de CH4 en volume.
Figure 4.3 – Photographie du r´eacteur (`a gauche) et du module de refroidissement (`a
droite).
Table 4.3 – Composition des ´emulsions : volumes de solvants et fraction de phase
dis-pers´ee.
Volume d’eau
(mL)
Volume d’huile
(mL)
Fraction volumique de
phase dispers´ee Φ (-)
500 0 0
490 10 0,02
475 25 0,05
450 50 0,1
425 75 0,15
400 100 0,2
inclin´ees. Le volume total de la solution absorbante est fix´e `a 500 mL pour l’ensemble des
exp´eriences. Le tableau 4.3 rappelle les volumes de solvants utilis´es.
Apr`es avoir plac´e le r´eacteur sous agitation pendant 10 minutes, la position de la
vanne est modifi´ee et le gaz est inject´e au fond du r´eacteur. A sa sortie du r´eacteur,
il est refroidi puis analys´e en continu. Apr`es l’´etablissement du r´egime permanent, les
concentrations des gaz sont stables et la valeur de la concentration en dioxyde de carbone
permet d’´etablir la vitesse d’absorption `a partir du bilan de mati`ere suivant :
Qe∗CCOe 2 =Qs∗CCOs 2 +R∗VL (4.4)
Avec :
– Q (m3/s) : d´ebit volumique de gaz
– CCO2 (mol/m3) : concentration de dioxyde de carbone en phase gaz
– R (mol/m3/s) : vitesse d’absorption volumique
– VL (m3) : volume de liquide dans le r´eacteur
– exposants e ets : se r´ef`erent `a l’entr´ee et `a la sortie du r´eacteur
La figure 4.5 montre un exemple de l’´evolution des concentrations en sortie du r´eacteur
et de la vitesse d’absorption en fonction du temps.
4.2.2 Observation du syst`eme gaz-liquide-liquide
La taille des bulles et des gouttelettes sont des param`etres tr`es importants puisqu’elles
conditionnent les performances de transfert. Elles d´ependent principalement de la
puis-sance dissip´ee et des propri´et´es physico-chimiques (notamment interfaciales) du syst`eme.
L’installation sch´ematis´ee en figure 4.6 permet l’observation directe des bulles de gaz
dans l’´emulsion. Les images obtenues permettent de d´eterminer le diam`etre des bulles et
des gouttelettes, mais aussi de voir comment est dispos´ee la phase dispers´ee `a l’interface
gaz-phase continue.
Une cam´era rapide est connect´ee `a un borescope (figure 4.7) qui peut ˆetre positionn´e `a
diff´erentes hauteurs dans le r´eacteur. Une source lumineuse (Olympus) fournit l’´eclairage
dans la zone d’int´erˆet. L’´emulsion est cr´e´ee par la rotation d’un agitateur `a pˆales inclin´ees.
Le m´elange gazeux est inject´e au fond du r´eacteur.
Figure 4.5 – Evolution des concentrations et de la vitesse d’absorption en fonction du
temps.
C
O
2
C
H
4 Source
lumineuse
Figure 4.7 – Photographie du borescope utilis´e pour l’observation in-situ.
4.2.3 Absorption en micro-m´elangeur
Description
Un sch´ema de l’installation est pr´esent´e en figure 4.8. Celle-ci est compos´ee d’une
section d’alimentation en gaz, d’une section d’alimentation en liquides, d’un contacteur
gaz-liquide et d’un module d’analyse. La premi`ere partie permet de r´ealiser le m´elange
de m´ethane et de dioxyde de carbone qui est ensuite inject´e dans une entr´ee du r´eacteur.
L’autre entr´ee du micro-m´elangeur est d´edi´ee au liquide, qui peut ˆetre constitu´e d’une
ou deux phases. L’alimentation en liquides est assur´ee par des pompes `a engrenages.
En sortie du r´eacteur, le m´elange gaz-liquide est s´epar´e et la composition de la phase
gazeuse est d´etermin´ee par un appareil de chromatographie qui est mieux adapt´e aux
faibles d´ebits que l’analyseur infra-rouge en ligne.
Le micro-m´elangeur (mod`ele Caterpillar CPMM-V1) est un m´elangeur statique de
type≪split-and-recombine≫ (figure 4.9) con¸cu et fabriqu´e par IMM (Institut f¨ur
Mikro-technik Mainz).
Dans ce type de micro-m´elangeur le flux est divis´e en plusieurs sous-courants `a chaque
´el´ement de m´elange, puis recombin´e avant l’´el´ement suivant. L’´ecoulement est dit
multi-lamin´e. Il est particuli`erement adapt´e pour des m´elanges rapides de fluides `a d´ebits ´elev´es.
Le canal int`egre 8 ´el´ements de m´elange en s´erie de 2,4 mm chacun, soit une longueur de
m´elange totale de 19,2 mm (figure 4.10) pour une section caract´eristique de 1,2 mm. En
acier inoxydable, il est utilisable jusqu’`a 30 bars et 200˚C.
Deux configurations de sortie du micro-m´elangeur sont test´ees. Dans la premi`ere
confi-guration, un tube de 5 cm et d’un diam`etre interne de 3 mm relie le raccord de sortie
du micro-m´elangeur au s´eparateur gaz-liquide. Dans la seconde configuration, un tube
de 20 cm et d’un diam`etre interne de 3 mm est ajout´e entre le raccord de sortie du
micro-m´elangeur et le s´eparateur gaz-liquide. Tous les autres ´el´ements du montage sont
C
O
2
C
H
4
Analyseur
de gaz
Eau Huile
MM
Séparateur
gaz-liquide
P
P
P
Figure 4.8 – Sch´ema de l’installation d’absorption en micro-m´elangeur.
Figure 4.9 – Micro-m´elangeur Caterpillar. (source : IMM)
Figure4.10 – Sch´ema d’un ´el´ement de m´elange du micro-m´elangeur Caterpillar. (source :
IMM)
identiques. Cette configuration nous permet d’observer la dispersion gaz-liquide mais
aussi de quantifier l’absorption dans un tel tube.
Le s´eparateur gaz-liquide est une cuve de plexiglas d’un volume de 300 mL environ.
Le m´elange gaz-liquide sortant du contacteur est inject´e par une entr´ee usin´ee dans le
couvercle. Le liquide est collect´e au fond de la cuve pour mesurer le d´ebit total de liquide et
le gaz ressort par une sortie usin´ee dans le couvercle. La composition du gaz est mesur´ee
grˆace `a un chromatographe (Micro GC 490, Agilent) contenant une colonne Cox. Le gaz
vecteur utilis´e est l’argon. Les sp´ecifications compl`etes de l’appareil sont disponibles en
annexe B.
Param`etres et protocole op´eratoires
Le r´eacteur est d’abord isol´e du reste de l’installation. Le m´elange gazeux est
direc-tement soumis `a l’analyseur pour en v´erifier la composition. L’´etalonnage est r´ealis´e sur
du m´ethane pur et du dioxyde de carbone pur.
Les liquides sont stock´es dans des r´eservoirs pos´es sur des balances. Les d´ebits sont
r´egul´es par deux pompes et mesur´es par la diff´erence de masse sur les balances. Une
jonc-tion en T permet de les mettre en contact avant leur injecjonc-tion dans le micro-m´elangeur.
Le ratio des d´ebits d’huile et d’eau correspond `a la fraction volumique de phase dispers´ee.
Dans toutes les exp´eriences, l’analyse du gaz par chromatographie est faite lorsque
la quantit´e de liquide dans le s´eparateur est importante, de sorte qu’il ne reste qu’une
faible quantit´e de gaz disponible. On s’assure ainsi que l’analyse porte bien sur le gaz
sortant du r´eacteur et non sur ce mˆeme gaz m´elang´e avec le gaz restant des exp´eriences
pr´ec´edentes ou de l’air entr´e lors de la vidange du s´eparateur.
Dans le document
Valorisation du biogaz par purification et par reformage
(Page 72-78)