RESUME :
Les réacteurs de type airlift forment une classe particulière de contacteurs gaz-liquide de la famille des colonnes à bulles. Ils présentent la particularité de disposer d’une boucle de recirculation du mélange réactionnel. Cette recirculation est induite par une différence de densité entre deux sections du réacteur, l’une riche et l’autre pauvre en gaz. La différence de pression statique qui en résulte est la force motrice de la recirculation. Ce phénomène est connu sous le nom « d’effet gazosiphon ». Le principal avantage des airlifts est que la recirculation améliore le transfert de matière et le mélangeage par rapport aux colonnes à bulles, sans nécessiter une agitation mécanique. Pour cette raison, les airlifts ont été principalement employés dans le domaine du traitement physicochimique des eaux, mais également comme bioréacteurs étant donné que le niveau de cisaillement reste faible. Ils existe deux grandes familles d’airlifts : les réacteurs à boucle interne et à boucle externe. Les premiers sont les plus fréquents car ils sont de construction plus simple, mais ils présentent l’inconvénient de recirculer une fraction plus importante de la phase gaz, ce qui réduit la force motrice et donc la vitesse de la recirculation. La géométrie la plus courante pour les airlifts à boucle interne est le réacteur cylindrique équipé d’un tube de tirage.
L’objectif de la présente publication est l’étude des paramètres hydrodynamiques globaux (rétention gazeuse εg, vitesse de recirculation du liquide UL), de mélange dans la phase liquide
(temps de mélange tm et coefficient de dispersion axiale EZL) et de transfert de matière gaz-liquide
(coefficient volumique de transfert de matière gaz-liquide KLaL) dans un réacteur airlift
rectangulaire à recirculation interne équipé d’un distributeur de gaz de type orifice unique. Il s’agit d’une géométrie beaucoup moins étudiée dans la littérature que le réacteur cylindrique à tube de tirage, mais qui semble améliorer les performances des réacteurs airlift. Les objectifs consistent d’une part à obtenir des corrélations pour la rétention gazeuse globale, la vitesse de recirculation du liquide et le coefficient de transfert de matière gaz-liquide en fonction de l’énergie spécifique dissipée. D’autre part, il s’agit de comparer les résultats obtenus à ceux de la littérature acquis sur des réacteurs de volume compris entre 4,7 et 4600 l de façon à étudier les effets d’échelle dans un but d’extrapolation.
1. Matériels et méthodes
Le réacteur analysé dans ce travail est un airlift à recirculation interne en plexiglas de section carrée (20 cm × 20 cm), de 2 m de haut et de 63 l de volume utile. Il est divisé par une paroi interne en deux sections de même surface appelées respectivement la montée ou riser (dans laquelle l’on introduit le gaz qui entraîne le liquide vers le haut) et la descente ou downcomer (dans laquelle le liquide appauvri en gaz circule vers le bas). Positionnée à 0,115 m au-dessus du fond du réacteur, la paroi interne à une hauteur de 1,3 m. Le distributeur de gaz est un système à orifice unique de 3,5 mm de diamètre placé au bas du riser. La vitesse superficielle du gaz dans le riser Ugr peut être
ajustée entre 0,01 et 0,08 m/s. Les expériences ont été réalisées avec le système air-eau sous pression atmosphérique et à température ambiante. La hauteur de liquide clair utilisée est maintenue constante à 1,59 m, ce qui correspond à une hauteur minimale de dispersion de 0,175 m au-dessus de la paroi interne. Les rétentions gazeuses dans le riser et le downcomer ont été mesurées par une méthode manométrique. UL, tm et EZL ont été obtenus par la mesure de la distribution des temps de
séjour en combinant un traçage salin à un suivi conductimétrique, tandis que KLaL a été estimé par
la méthode de désoxygénation/réoxygénation dynamique au moyen d’une sonde à oxygène.
2. Synthèse des résultats
L’étude hydrodynamique a montré que la rétention gazeuse dans le riser εr varie comme
Ugr0.85 et qu’il existe une relation linéaire entre les taux de gaz dans le riser εr et le downcomer εd
dès que Ugr>0.02 m/s telle que :
εr≈εd+α
où α est une constante. Comme εr-εd est proportionnel à la force motrice de recirculation, celle-ci
est à peu près constante pour UG comprise entre 0,02 et 0,08 m/s et la courbe UL=f(Ugr) devrait
présenter un palier. La rétention gazeuse globale dans le réacteur varie comme Ugr1.1, ce qui est en
accord avec les résultats de la littérature. De même, on a observé qu’il y a une recirculation partielle du gaz dans le riser dès que Ugr>0.03 m/s et qu’il n’y a pas de transition claire entre les régimes de
recirculation du gaz, contrairement à ce qui est décrit dans la littérature. Ces résultats ont été attribués au distributeur à orifice unique qui crée des distributions de tailles de bulle assez larges ; ce qui favorise la recirculation du gaz et induit une diminution de εg.
Les mesures de la vitesse de recirculation ont confirmé l’existence d’un palier dès que Ugr>0.03 m/s et ont montré que UL dépend assez peu du volume du réacteur entre 4,7 et 4600 l. Les
sont en accord avec les expressions empiriques de la littérature. L’étude du mélange a montré que le temps de mélange tm décroît très rapidement lorsque Ugr augmente à faible vitesse, puis atteint un
palier vers 28,5 s. Un temps de mélange adimensionnel a été défini et nous avons montré qu’il est à peu près indépendant du volume utile du réacteur, et approximativement égal à 2.2, résultat proche de la valeur moyenne d’une cuve agitée aérée. De même, les coefficients de dispersion axiale EZL
sont à peu près indépendants de Ugr et faiblement dépendants du volume du réacteur (ils doublent
lorsque le volume est multiplié par 10).
L’étude du transfert de matière a montré que KLaL est bien corrélé à la puissance dissipée par
unité de volume par l’installation et que cette corrélation est quasiment indépendante du volume du réacteur. Les valeurs de KLaL obtenues sont supérieures à celles trouvées dans la littérature pour les
réacteurs airlifts cylindriques à boucle interne et ceux à boucle externe. En revanche, l’étude du rapport KL/dB (où dB est le diamètre moyen des bulles) a montré qu’il est plus grand dans le réacteur
étudié dès que Ugr>0,03 m/s. Ce résultat a été expliqué par la recirculation partielle du gaz dans le
riser qui se traduit par une augmentation du temps de séjour effectif de la phase gazeuse dans le réacteur et de l’aire interfaciale puisque ce sont les plus petites bulles qui sont recirculées. L’utilisation d’un distributeur de gaz moins efficace est donc compensée dans le cas d’un airlift rectangulaire par la recirculation partielle du gaz dans le riser qui participe alors activement au transfert de matière.