Régimes hydrodynamiques

Généralement, trois régimes hydrodynamiques sont rencontrés sur les plateaux : le régime d'émulsion, le régime de jets et le régime mixte (ou régime de transition entre les deux premiers). Certains auteurs incluent également un régime de bullage (Zuiderweg, 1982; Hofhuis, 1980; Kister et Haas, 1988; El Azrak, 1988). Celui-ci peut être considéré avec le régime d’émulsion.

 Régime d'émulsion : correspond à une zone diphasique liquide gaz essentiellement à phase continue liquide. Il est favorisé par les forts débits liquides. A faible vitesse gaz, les clapets oscillent laissant un régime de bullage s’établir sur le plateau.

 Régime de jets : correspond, inversement au régime d'émulsion, à une zone diphasique à phase continue gaz. Le liquide se trouve majoritairement sous forme de gouttes et de films. Ce régime est favorisé par un fort débit gaz et un faible débit liquide. Les clapets sont tous ouverts.

 Régime mixte : il s'agit d'un régime de transition entre les deux régimes extrêmes précédents. Il est plutôt rencontré sur les plateaux à clapets, mais certains auteurs, comme Békássy-Molnár et Mustafa 1991, l'ont également observé sur des plateaux perforés.

Une colonne industrielle peut fonctionner sous l'un de ces trois régimes selon l’application pour laquelle elle est utilisée. Pour la distillation sous pression et l’absorption le régime d’émulsion est favorisé. Dans le cadre de la distillation sous vide ce sera plutôt le régime de jet. Finalement le régime mixte sera employé en distillation atmosphérique. (Cicile et Copigneaux, Technique de l’ingénieur)

Pour la détection d’une transition de régime, les techniques expérimentales les plus utilisées sont les profils de rétention (inversion de phase continue : Pinczewski et Fell (1975), Pinczewski et al. (1973), Hofhuis (1980), Zuiderweg (1982); la transmission de lumière : Dhulesia (1983) et la mesure de l’entrainement liquide : Kister et Haas (1988)). Cependant cette détection est souvent difficile surtout pour le cas des plateaux à clapets pour lesquels la technique de transmission de rayons gamma est inefficace (la présence des clapets sur le plateau perturbe la mesure). Dans certains travaux les auteurs recourent à l’observation visuelle (Mustafa et Békássy-Molnár, 1997) mais celle-ci reste subjective et difficile étant donné la nature chaotique de l’écoulement sur les plateaux.

Chapitre 2 : Etat de l’art : travaux expérimentaux sur plateaux

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Les transitions entre les régimes hydrodynamiques d’émulsion, mixte et de jets sur les plateaux à clapets n’ont pas fait l’objet de travaux théoriques. Les modèles proposés dans la littérature concernent plutôt les plateaux perforés et en particulier la transition entre régime de jets et régime d’émulsion.

Parmi les modèles théoriques présentés pour plateaux perforés, le modèle de Tan et Sundar (2001) se base sur la stabilité d’un film liquide périphérique à un jet gaz. Ce modèle montre l’importance de trois forces : l’inertie gaz, la flottabilité et la tension de surface et propose le nombre de Kukateladze, faisant intervenir ces trois forces, pour prédire la transition entre les régimes :









Les expressions empiriques disponibles, sur plateaux perforés et à clapets, font intervenir les mêmes forces identifiées dans le travail de Tan et Sundar (2001). Plusieurs auteurs (Dhulesia, 1983; Békássy-Molnár et Mustafa, 1991; Lockett, 1981) proposent des transitions entre régimes basées sur une hauteur de liquide clair h_L critique dépendant de la vitesse gaz au trou et du diamètre de perforations. Les corrélations pour les deux transitions émulsion-mixte et mixte-jets sont proposées sous la forme suivante :

L G h G h L U C d h   ,   (2-2)

avec hL la hauteur de liquide clair, dh le diamètre des perforations et UG,h la vitesse gaz au trou.

Seule la valeur de la constante C varie entre les deux transitions et les auteurs. Cette constante possède la dimension inverse d’une vitesse.

Le poids du liquide ainsi que l’inertie gaz sont explicites dans cette expression. La tension de surface est, elle, moins mise en exergue. Les travaux étant effectués à iso système liquide gaz, seule la prise en compte du diamètre de perforation fait référence à la tension de surface.

Hofhuis (1980) et Zuiderweg (1982) proposent une valeur critique du paramètre d'écoulement pour la transition d’un régime de bullage vers le régime d’émulsion :

3 5 . 0 ,         G L a G LU h L FP   (2-3)

Très peu de corrélations sont disponibles pour les plateaux à clapets. Souvent des corrélations développées pour les plateaux perforés sont aussi appliquées au cas des plateaux à clapets (El Azrak, 1988). Dhulesia (1983) réussit à identifier les transitions sur plateaux à clapets en utilisant une technique d’absorption de lumière.

La Figure 2-2 présente une comparaison entre les corrélations proposées sur plateaux à clapets par Dhulesia (1983) et El Azrak (1988). Les corrélations adoptées par EL Azrak sont développées pour des plateaux perforés par Zuiderweg (1982), pour la transition

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émulsion/mixte, et par Barber et Wijn (1979) pour la transition mixte/jets. Les expressions correspondantes à ces corrélations sont consultables en Annexe I (Tableau 1).

Figure 2-2 : Comparaison des corrélations des changements de régime sur les plateaux à clapets.

Les deux auteurs travaillent sur des clapets semblables (Glitsch), pourtant les transitions repérées sont différentes avec une dépendance au débit liquide clairement plus importante dans le travail de El Azrak (1988). Les deux études étant faites avec l’eau et l’air à pression atmosphérique et température ambiante, il est important de noter les différences géométriques entre les deux colonnes utilisées. Dhulesia (1984) utilise une colonne rectangulaire de 1.2 m de longueur totale alors que la colonne utilisée par El Azrak est circulaire de diamètre 0.45m. Par ailleurs la gamme opératoire investie par le premier est beaucoup plus large.