Effet du débit de gaz

Deux débits de gaz ont été étudiés : 3,2 Nm^/h et 4,2 Nm^/h

Le débit de gaz intervient dans la valeur du Hold-up. Il intervient aussi dans l’effet du mélange du liquide. Nous avons vu d’une part que le débit de gaz établi la vitesse de gaz superficielle, la vitesse de gaz à son tour est étroitement lié à la valeur du hold-up et par conséquent à la valeur de transfert de CO2.

Les expériences ont été effectuées à une température constante de 45°C et à un temps de séjour constant de 26 minutes. L’évolution de la réaction de précipitation a été suivie tout au long de l’expérience par la méthode densimétrique et les sursaturations confirmées par titrage de la solution.

4.8.2.1 Résultats

La figure suivante montre la composition en CO2 du gaz en sortie de colonne pour les deux débits de gaz étudiés

variation de la composition du gaz en sortie de colonne:

débits différents

Figure 4-15 Variation de la composition du gaz en CO2 en sortie de colonne durant la précipitation du

NaHCOa dans la colonne à bulles T=45°C , composition de gaz en entrée de 35% en CO2

Les courbes de consommation du CO2 en sortie de colonne montrent une augmentation de la consommation du CO2 avec une augmentation du débit de gaz injecté. Pour un débit plus important en gaz (4,2 Nm^/h) nous observons que la composition de gaz en sortie de colonne est plus appauvrie en CO2 que par rapport à un débit de gaz plus faible (3,2 Nm^/h).

Nous avons suivi l’évolution de la sursaturation pendant les expériences de précipitation, les résultats sont résumés dans la Figure 4-16:

Figure 4-16 Evolution des espèces en solution durant la précipitation du NaHC03 dans une colonne à bulles pour deux débits différents en gaz injecté

Les résultats d’analyse des concentrations nous montrent que les sursaturations absolues atteintes avant précipitation et au régime sont plus élevées quand le débit de gaz augmente. La sursaturation obtenue avant précipitation passe de 20 g/kg à 25 g/kg si les débits passent de 3,2 Nm^/h à 4,2 Nm^/h. Les sursaturations à l’état de régime passent de 10 g/kg pour un débit 3,2 Nm^/h à 13 g/kg pour un débit de gaz égal à 4,2 NmTh

L’évolution de la masse volumique durant les expériences a été analysée, les résultats pour les deux débits de gaz injectés sont résumés dans la figure ci-dessous :

E 0 01 O > 0) w V) (0 E

évolution des masses volumiques pour deux débits de gaz

différents 35%C02T=45°C

min

Figure 4-17 Evolution de la masse volumique pendant la précipitation du NaHCOa en colonne

D’après les courbes densimétriques nous observons que le temps de précipitation diminue de 40 à 20 minutes en augmentant le débit. Nous pouvons également observer grâce aux courbes densimétriques un changement important du transfert gaz-liquide et de la cristallisation qui se traduit par une consommation plus importante de matière à haut débit et par une sursaturation plus importante à l’état de régime (Figure 4-16).

Les valeurs de consommation en gaz et des sursaturations de la solution obtenues pour les deux débits étudiés d’après les analyses obtenus sont reprises dans le tableau suivant :

Débit (Nm3/h) %CÛ2 injecté Consommation % Sursaturation absolue avant précipitation g/kg Sursaturation au régime g/kg 3,2 35 8.6±0,7 20±2 10±2 4,2 35 14±1 25±2 13±2

Tableau 4-5 Résultas en consommation de matière et sursaturations pour deux essais en colonne à débits de gaz injectés différents

Une augmentation de la consommation de gaz est obtenue avec une augmentation du débit de gaz injecté, cet effet est plus marqué en début d’expérience juste avant la précipitation et

l’apparition de la phase solide. Ce phénomène est également observé par l’évolution de la masse volumique de la solution dans la colonne. En effet nous observons une diminution du temps de précipitation avec une augmentation du débit de gaz.

Nous pouvons expliquer toutes ces modifications physico chimiques par une modification des conditions hydrodynamiques de la colonne.

Les valeurs de vitesse superficielles de gaz et du gaz hold-up sont données dans le tableau suivant : Débit (Nm^/h) Vitesse du gaz superficielle (m/s) Gaz Hold-up 3,2 0,07 25% 4,2 0,09 32%

Tableau 4-6 Données hydrodynamiques dans la colonne en fonction de débits de gaz injectés

Le gaz hold-up global comme attendu est supérieur quand le débit de gaz augmente.

En effet une augmentation du débit du gaz modifie directement la vitesse du gaz injecté et le gaz holdup en entraînant un changement de l’aire interfaciale, finalement le transfert total de matière entre le gaz et le liquide est affecté.[208-212]

Nous devons prendre en compte dans la modification du gaz hold-up en plus d’une augmentation de la vitesse de gaz, l’effet de la dynamique des bulles. Nous supposons que la quantité des bulles des petites tailles augmente par effet de rupture de plus grande taille provoqué par un débit de gaz plus important, en augmentant ainsi l’aire surfacique efficace de transfert de matière [176, 213].

D’après la littérature, la fréquence à la quelle les bulles peuvent rentrer en contact pour casser est établie et de l’ordre de 5-20 s '[213]

Une fois que la précipitation a lieu, le solide dans la solution peut affecter le transfert gaz- liquide à l’interphase des bulles [191, 214-218]. Il a été observé que le solide peut augmenter la vitesse ascensionnelle des petites bulles qui ont tendance à créer des bulles de plus grande diamètre par effet de coalescence. Dans ces conditions, le gaz hold-up aura tendance à diminuer. Nous observons dans nos expériences une diminution de la consommation de gaz à chaque fois que la phase solide est de plus en plus présente.

Figure 4-18 Différentes tailles des bulles au sein de la colonne avant précipitation

Nous pouvons calculer la vitesse de petites bulles selon Davies et Taylor pour des bulles sphériques selon l’équation (4-7)

Avec

db= diamètre moyen des bulles= 3 mm

Vbo=0,12 m/s

Les cinétiques de cristallisation pour les deux débits de gaz étudiés sont résumées dans le tableau suivant : Débit (Nm^/h) G *10'** (m-s') no * IQ+16 _(m'-s-‘)^{J* 10“ Production} (g/l) Sursaturation régime (g/kg) 3,2 1,4±0,2 1,7±0,3 2,43±0,34 10+0,2 10±2 4,2 _{1,4±0,3 3,2±0,2 4,40±0,23} 23+0,3 13±2

Tableau 4-7 Cinétiques de cristallisation pour deux débits de gaz injectés

L’effet du débit du gaz sur les cinétiques de cristallisation obtenues peuvent s’expliquer de la façon suivante: les sursaturations avant précipitation et au régime augmentent avec une augmentation du débit. Nous avons vu que le débit modifie l’hydrodynamique du système de façon à augmenter le transfert gaz-liquide à travers l’augmentation du gaz hold-up et de faire interfaciale [219] . Nous obtenons en effet une consommation de gaz plus importante. Nous pouvons prendre en compte l’effet de la sursaturation obtenue avant précipitation et celle au régime comme la cause en partie d’une augmentation du nombre de germes.

Nous obtenons une production qui augmente quand à elle de 100%

Un autre paramètre qui rentre en jeu dans la cristallisation du NaHC03 est l’augmentation de l’agitation crée par une augmentation du débit qui peut aussi contribuer à une augmentation du nombre de germes.

La puissance dissipée moyenne, e, dans le réacteur dans le système peut être calculée grâce à la relation suivante[220] :

e(W/m3) ^{ap(Ql +Q.)}

H0£Qd2(TT/4) ^(4-19)

D=diamètre de la colonne (m) AP=différence de pression (Pa) QL=débit du liquide (m^/h) Qg=débit du gaz (Nm^/h) Ho=hauteur du liquide EG=gaz hold up ou encore : £(W/m^) = gU^*p (4-20)

Ug= vitesse du gaz (m/s)

p=masse volumique du liquide (m^/kg)

Nous avons calculé les deux puissances globales dissipés pour les deux débits utilisés :

Débit (Nm^/h) Ho(m) gaz Hold-up

%

E(W/mO moyenne

3,2 0,57 25 760

4,2 0,57 32 1030

Tableau 4-8 Influence du débit d’injection sur le gaz hold-up et la puissance globaie dissipée

Nous constatons une augmentation significative de la puissance dissipée qui peut contribuer à l’augmentation de la germination secondaire. L’effet de l’agitation a été étudié dans le MSMPR. Nous avons pu montrer l’effet d’une augmentation de la puissance dissipée sur la fréquence de germination.

L’hydrodynamique dans la colonne à bulles est évidemment différente de celle du réacteur MSMPR, cependant dans ces deux différents réacteurs l’effet de la puissance dissipée sur la fréquence de germination ont été observées.

En résumé le débit de gaz modifie l’hydrodynamique du réacteur, l’augmentation du débit augmente la vitesse superficielle du gaz qui augmente le gaz hold-up, et qui d’autre part augmente l’effet de coalescence et rupture des bulles de plus grande taille. L’effet sur le transfert de matière est clairement observé par l’augmentation de la consommation du CO2, et des sursaturations avant précipitation et à l’état de régime. Le transfert liquide solide est par conséquent également affecté, nous obtenons une production qui augmente avec le débit et

des cinétiques de cristallisation plus importantes surtout au niveau du nombre de germes qui reflète également une augmentation de l’énergie dissipée par augmentation de l’agitation du à l’hydrodynamique des bulles.