Engorgement

Le ph´enom`ene d’engorgement au sein de l’empilage de Mellapak<sup>TM</sup> 250 Y peut ˆetre qualifi´e de progressif. Contrairement `a l’´etude r´ealis´ee sur la mousse m´etallique o`u l’engorgement apparaissait directement apr`es que le point de charge soit atteint (accumulation directe du liquide au sommet de l’empilage), l’engorgement au sein du Mellapak^TM 250 Y est caract´eris´e par l’apparition d’un front de liquide qui remonte dans l’empilage avec l’augmentation du d´ebit de gaz. La figure4.8 repr´esente l’´evolution de ce front de liquide pour une vitesse superficielle de liquide de 20 m³/m²h (figure4.7) pour sept d´ebits de gaz croissants. La premi`ere image (figure4.8(a)) correspond `a la radiographie de l’empilage en ´ecoulement liquide sans gaz. Sur la figure4.8(b), le point de charge est atteint et un l´eger front de liquide apparaˆıt au pied de l’empilage, au centre de la section. Ce front de liquide remonte dans l’empilage avec l’augmentation du d´ebit de gaz. Pour chaque d´ebit de gaz, le front de liquide se maintient. Le poid de la hauteur de liquide contrebalance les forces de friction du gaz qui tendent `a entraˆıner le liquide vers le haut, ce qui assure un ´etat d’´equilibre. Apr`es avoir atteint le sommet de l’empilage, le liquide s’accumule au dessus de l’empilage et l’engorgement total est atteint. Ce ph´enom`ene est ´egalement observ´e pour des d´ebits de liquide plus importants mais avec l’augmentation du d´ebit de liquide, la plage de d´ebits gazeux pour laquelle ce ph´enom`ene est observ´e se r´etr´ecit.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figure 4.8: Radiographies illustrant l’´evolution du front de liquide correspondant `a l’engorgement progressif du liquide au sein du Mellapak^TM 250 Y en fonction du d´ebit de gaz. La vitesse superficielle du liquide est de 20 m³/m²h. Les vitesses superficielles de gaz sont: (a) 0 m.s⁻¹; (b) 2.7 m.s⁻¹; (c) 2.87 m.s⁻¹; (d) 3.17 m.s⁻¹; (e) 3.85 m.s⁻¹; (f) 4 m.s⁻¹

4.1 Mesures des propri´et´es hydrodynamiques Chapitre 4. ´Etude du Mellapak^TM250 Y

La figure 4.9 repr´esente l’´evolution de la r´etention de liquide suivant la hauteur du Mellapak^TM 250 Y au cours de la mont´ee du front de liquide. Les diff´erentes distributions de la r´etention de liquide correspondent aux mesures de r´etention r´ealis´ees sur les radiographies pr´esent´ees sur la figure4.8. Pour l’´ecoulement sans gaz (histogramme jaune), la r´etention est quasi constante sur toute la hauteur de l’empilage. Avec l’augmentation du d´ebit de gaz, le point de charge est atteint pour une vitesse superficielle de gaz de 2.7 m.s⁻¹ et le front liquide apparaˆıt (histogramme violet). Il se d´eplace alors jusqu’`a atteindre le haut de la colonne, provoquant ainsi un engorgement progressif du syst`eme. La r´etention correspondant au front de liquide est constante sur sa hauteur. Cette valeur correspond

`a la quantit´e maximum de liquide que peut contenir le syst`eme pour ces conditions (saturation gaz-liquide de l’empilage). Si le d´ebit de gaz est encore augment´e, on observe l’engorgement total de la colonne. La valeur de la r´etention au sein de l’empilage reste constante sur sa hauteur alors que le liquide s’accumule en son sommet, `a l’ext´erieur de l’empilage.

Figure 4.9: Evolution de la r´etention de liquide suivant la hauteur de l’empilage et le d´ebit de gaz

4.1.3 Dispersion radiale

4.1.3.1 Radiographie `a rayons-X

Pour l’´etude de la dispersion radiale, un distributeur monoponctuel de liquide est utilis´e. Les d´ebits de liquide choisis dans cette ´etude sont compris entre 15 et 200 l/h, soit des vitesses superficielles comprises entre 3 et 40 m³/m²h. La figure 4.10 repr´esente la dispersion radiale du liquide pour une vitesse superficielle de liquide de 20 m³/m²h. Elle est tout `a fait similaire `a la figure4.10(b), qui correspond `a la radiographie de la dispersion radiale de liquide obtenue parMahr & Mewes (2008) sur le Mellapak<sup>TM</sup> 250 Y (PP) pour un d´ebit de liquide identique (100l/h). Sur la radiographie obtenue par le tomographe ULg420kV (figure 4.10(a)), afin de rendre l’´ecoulement visible, une radiographie de l’empilage sec a ´et´e soustraite `a celle-ci et un filtre spatial adaptatif (fonctionadpmedian de Matlab) a ´egalement ´et´e appliqu´e afin d’´eliminer le bruit. Il ne s’agit donc pas de valeur de r´etention de liquide ou d’´epaisseur de liquide. Les tˆaches plus claires sur la figure4.10(a) sont des perturbations qui r´esultent de la pr´esence de gouttes d’eau sur la paroi ext´erieure de la colonne.

(a) (b)

Figure 4.10: Visualisation de la dispersion radiale pour une vitesse superficielle de liquide de 20 m³/m²h:(a)Mesure obtenue par le tomographe Ulg420kV;(b)Mesure radiographique obtenue parMahr & Mewes(2008)

Sur l’image de la figure 4.10(a), le d´eplacement du fluide au sein de l’empilage peut ˆetre observ´e. Ainsi, `a la sortie de l’injecteur, les contours du cˆone de dispersion correspondent aux droites de plus grande pente de l’empilage. Le vecteur directeur de cette droite est directement calcul´e en fonction des grandeurs caract´eristiques de l’empilage et

4.1 Mesures des propri´et´es hydrodynamiques Chapitre 4. ´Etude du Mellapak^TM250 Y

s’´ecrit de la fac¸on suivante pour chacune des faces des feuilles de l’empilage : V~ = [h

2.sin(2α);h.cos²α;−B

2.tanβ] (4.6)

o`u h est la hauteur de l’ondulation, B la base du triangle d’entr´ee de l’empilage, α correspond `a l’angle form´e `a la base du triangle d’entr´ee et β est l’angle que forment les ondulations par rapport `a l’horizontale. Ces valeurs ont ´et´e directement mesur´ees sur l’´echantillon de Mellapak^TM250 Y fourni par Sulzer et sont repr´esent´es sur la figure4.11(a).

L’angle β est calcul´e en fonction de la longueur des entr´ees horizontales et verticales de l’empilage comme pr´esent´e sur la figure 4.11(b). Les valeurs mesur´ees sont alors, h = 12.5 mm,B = 34.3 mm,α = 46.8˚ et β = 49˚ soit un angle par rapport `a la verticale β<sup>′</sup> de 41˚. Ces valeurs sont en accord avec celle annonc´ees par le fabricant ainsi que celles mesur´ees parToye et al.(2001) en tomographie `a rayons-X et ´egalement celles deMahr &

Mewes(2007) etMahr & Mewes(2008) qui annonce un angle d’inclinaison des ondulations de±42˚ (β^′) par rapport `a la verticale.

(a) (b)

Figure 4.11: Mesure des grandeurs caract´eristiques de l’empilage de type Mellapak^TM 250 Y: (a) Mesure des grandeurs cract´eristiques d’une entr´ee de l’empilage;

(b)Mesure de l’angle form´ee par les ondulations et l’horizontale

Ces donn´ees permettent alors de calculer le vecteur directeur de la droite de plus grande pente associ´ee au Mellapak^TM250 Y en plastique :

V~ = (±0.32;±0.3,−1) (4.7)

L’axe vertical ´etant choisi orient´e vers le haut, la composante en z reste n´egative. Les composantes x et y sont orient´ees respectivement par rapport `a la largeur et `a l’´epaisseur du syst`eme. Les signes±d´ependent de l’orientation des faces de l’empilage. On obtient donc une s´erie de quatre vecteurs. Sur la figure4.10(a), la radiographie de l’empilage permet de visualiser le filet de liquide sur un plan 2D o`u la composante y ne peut pas ˆetre quantifi´ee.

L’angle d’´ecoulement dans le sens de la plus grande pente peut donc ˆetre carat´eris´e par l’angle form´e entre cette direction et la verticale, soit sa valeur calcul´ee θ = 18.7˚. Les composantes verticale z et horizontale x de la droite de plus grande pente peuvent ˆetre mesur´ees sur la radiographie. Le vecteur ainsi obtenu est :

V~ = (0.34;−1) (4.8)

Ce qui correpond `a un angle d’´ecoulementθde 20.1˚. Cette observation est ´egalement faite en radiographie `a rayons-X parMahr & Mewes(2008) (figure 4.10(b)) qui mesure un angle θ de± 19˚. Sur ces mˆemes radiographies (figure 4.10), il est ´egalement clairement visible que le liquide peut aussi suivre les sommets des ondulations, ce qui augmente la dispersion radiale. Il est int´eressant de noter que le liquide s’accumule aux points de contact entre les deux feuilles de Mellapak^TM250 Y. Ces deux ph´enom`enes sont directement li´es au mouillage de l’empilage par le liquide, qui d´epend de l’angle de contact liquide-solide lui-mˆeme fonction de la tension superficielle et de la viscosit´e du liquide. Avec l’augmentation du d´ebit de liquide, les mˆemes observations sont visibles, l’´ecoulement suit toujours en priorit´e la direction de la plus grande pente alors que la dispersion via les sommets des canaux augmente. Ces observations permettent une meilleure compr´ehension des m´ecanismes qui r´egissent l’´ecoulement du liquide au sein d’un empilage structur´e.