Emulsair
RESUME:
Les réacteurs polyphasiques à base de venturi à émulsion sont des contacteurs gaz-liquide qui n’ont été que peu étudiés dans la littérature par rapport aux systèmes concurrents tels que les colonnes à bulle, les airlifts ou les cuves agitées aérées. Leur principe de fonctionnement est d’utiliser l’énergie cinétique du liquide afin d’assurer une dispersion fine du gaz. Ces réacteurs sont constitués d’un venturi placé verticalement au dessus d’une cuve qui jour le rôle de séparateur gaz- liquide et d’une boucle de recirculation forcée du liquide. Le gaz peut être injecté ou autoaspiré au col du venturi où la vitesse du liquide est maximale et la pression statique minimale. Dans ce dernier cas, leur fonctionnement est toujours de type « émulsion », ce qui correspond à un rapport de débits volumiques de gaz et de liquide inférieur à 1. Leurs principales applications potentielles sont les réactions biologiques et le traitement des effluents gazeux industriels.
L’objectif de ce travail est l’étude d’un réacteur polyphasique dénommé Emulsair. Ce type de réacteur est constitué d’un venturi de géométrie classique (convergent, col, divergent) dans lequel le débit de gaz peut être soit imposé, soit autoaspiré au col. L’émulsion gaz-liquide formée circule à co-courant vers le bas et est injectée dans la cuve de séparation dans laquelle la vitesse de la phase liquide est assez faible par rapport à celle régnant dans le venturi pour permettre le dégazage total de l’émulsion. La recirculation forcée du liquide s’effectue à partir du fond de la cuve de séparation qui est équipée d’une membrane permettant le passage du liquide seul dans le cas de systèmes biologiques. Les paramètres étudiés incluent les débits de gaz (10-4<QG<2.5 10-3 m3/s) et de liquide
(4.0 10-4 m3/s<QL<8.0 10-3 m3/s), la géométrie du venturi, des orifices d’aspiration du gaz et de la
cuve de séparation (diamètre compris entre 0.30 et 0.63 m et hauteur de liquide clair variant entre 0.37 et 1.12m). Dans un premier temps, l’impact de ces paramètres sur l’hydrodynamique (dont la rétention gazeuse εG et le débit de gaz autoaspiré) et le transfert de matière gaz-liquide (coefficient
volumétrique d’absorption KLaL) a été quantifié pour le système eau-air à température ambiante et
pression atmosphérique. Dans un second temps, les travaux ont permis de comparer les performances du réacteur Emulsair aux contacteurs gaz-liquide classiques (colonnes à bulles, airlifts et cuve agitée aérée par autoaspiration du gaz) en fonction de la puissance dissipée à partir de
L’étude expérimentale a montré que si l’énergie consommée (E) dépend fortement des dimensions géométriques du venturi, la surface des orifices au col n’a que peu d’influence sur la puissance dissipée et le débit de gaz autoaspiré quand cette surface est supérieure à 2 cm2. De
même, on a montré que les performances de transfert de matière du réacteur dans les conditions de débit de gaz imposé ou d’autoaspiration sont similaires, ce qui confirme que l’autoaspiration est préférable d’un point de vue économique. En augmentant le débit liquide, une transition hydrodynamique a été mise en évidence entre d’une part un régime « annulaire » dans lequel une poche de gaz occupe une fraction importante du volume du divergent du venturi, et d’autre part un régime « homogène à bulles dispersées » où le gaz est immédiatement dispersé sous forme de fines bulles, que le débit de gaz soit imposé ou autoaspiré. Cette transition peut être déterminée en autoaspiration à partir du maximum du rapport QG/QL lorsqu’il est représenté en fonction de QL. On
a également observé une forte influence des paramètres géométriques de la cuve sur l’hydrodynamique du réacteur Emulsair. Ainsi, le débit de gaz autoaspiré et la valeur maximale du rapport QG/QL augmentent lorsque la hauteur de liquide clair H diminue et varie comme H-0.15
(R2=0.997). Ces comportements ont été reliés à la variation de pression statique dans le réacteur induite par la modification de la hauteur de liquide clair. En revanche, le transfert de matière augmente lorsque H augmente. Toutefois, cette augmentation est limitée d’un point de vue pratique par la diminution simultanée de QG. Enfin, on a montré que l’influence du diamètre de la cuve de
séparation à volume de liquide fixé (à H variable) semble gouvernée par les variations de H et donc qu’elle suit les comportements décrits ci-dessus. En revanche, l’influence du diamètre de cuve à H fixé (le volume de liquide pouvant varier) reste faible lorsque D est supérieur à 0,3 m.
On a effectué la comparaison à partir des données et des corrélations de la littérature des performances de l’Emulsair avec celles de deux colonnes à bulles (la première équipée d’un distributeur à orifice unique d’où une distribution primaire du gaz non-uniforme, la seconde équipée d’un fritté d’où une distribution primaire du gaz uniforme), d’un airlift rectangulaire à recirculation interne et d’une cuve agitée aérée par autoaspiration équipée d’une turbine à double disque et huit pales droites (Poncin et coll., 2002). Les résultats ont montré que le taux de rétention du gaz le plus élevé est atteint dans le venturi de l’Emulsair quel que soit le débit de gaz, mais que l’Emulsair (cuve + venturi) présente au contraire toujours les taux de gaz les plus faibles. Dans le venturi, εG
passe par un maximum qui correspond au changement de régime d’écoulement, tandis que pour l’ensemble du réacteur εG augmente plus rapidement après la transition. En effet, εG varie alors
comme Eβ avec β=0.23 (R2=0.984) en régime annulaire et β=0.56 (R2=0.998) en régime homogène. Cela est dû à la diminution du diamètre moyen des bulles de l’émulsion à E élevée et au temps de
séjour plus long des bulles dans la cuve qui en résulte. Ceci confirme que l’Emulsair est plus efficace en régime homogène lorsque E>1000 W/m3. Du point de vue du transfert de matière, c’est la colonne à bulles qui présente le KLaL le plus élevé à des faibles valeurs de E, alors que c’est le
cas de la cuve agitée aérée à des valeurs élevées de E. Pour le réacteur venturi à émulsion, KLaL est
une fonction croissante et continue de E qui varie comme E0,95 (R²=0.991) en régime annulaire et
E0,65 (R²=0.983) en régime homogène. Les performances plus faibles de l’Emulsair sont essentiellement dues à la puissance mécanique élevée nécessaire à la recirculation forcée du liquide et aux faibles taux de rétention du gaz que cette recirculation engendre. En revanche, l’étude du rapport KLa/εG qui permet de comparer les performances des réacteurs dans le cas de réactions
rapides limitées par le transfert a montré que l’Emulsair présente les valeurs les plus élevées de tous les réacteurs étudiés dès qu’il opère en régime homogène, alors que KLa/εG est inférieur aux valeurs
des autres réacteurs à faible E. Cela démontre les potentialités de l’Emulsair pour mettre en œuvre des réactions chimiques partiellement ou totalement limitées par le transfert de matière, mais aussi des réactions biologiques au cours desquelles la demande en oxygène peut varier fortement selon les phases.