Résultats expérimentaux

La dissolution d’un gaz pur a été étudiée en présence de trois systèmes : eau pure, CP pur et diverses émulsions CP/eau à différentes fractions massiques de CP.

Chapitre IV. Etude cinétique

139 Pyrex est enlevée, la constante de transfert gaz/liquide k a_Lw est modifiée en raison d’un changement de l’hydrodynamique. Ainsi, la cinétique de dissolution d’un gaz en présence de la sonde FBRM doit être caractérisée à nouveau. Les constantes de transfert gaz/liquide estimées en présence de la cuve en Pyrex et en présence de la sonde FBRM ne sont pas comparables. Les essais en présence de la sonde FBRM sont présentés dans le Tableau IV.1. Le protocole expérimental de ces essais est présenté dans le paragraphe II.6.1. Par contre, un seul palier de pression et de température à 282 K est ici réalisé (température similaire imposée pour la cristallisation, §IV.2).

La pression initiale (juste après introduction de l’émulsion et avant le démarrage de l’agitation) est fixée à 1,9-2 MPa quelque soit l’essai. En effet, selon Pic et al. (2001), la pression n’a pas d’influence sur la valeur de la constante de transfert gaz/liquide k aLw et seule

l’hydrodynamique a un effet notable. C’est pourquoi la pression initiale n’a pas été un des paramètres étudiés mais l’étude a été conduite à différentes vitesses d’agitation N.

Le Tableau IV.1 récapitule les essais et les vitesses d’agitation testées. Les deux dernières lignes du tableau (en vert) sont des essais expérimentaux qui ont été poursuivi en cristallisation (selon le protocole II.6.4) et sont présentés dans le paragraphe IV.2.3.

Tableau IV.1 Système étudiés : Expériences de dissolution

Gaz Système(s) étudié(s) N/ tr.min-1 Configuration

CO₂ Eau 300, 400, _{500, 600} sonde FBRM

N2 Eau

300, 400,

500, 600 sonde FBRM CO2*

Emulsion CP/eau*, eau * ou CP *, EM CP,0

w = 0 à

100 %, 0,04 % en masse de Tween80® _{dans l’eau} 400* Pyrex*

CO₂ Emulsion CP/eau,

EM CP,0

w =1,5 à 8 %, 10 ppm de

lithium et 0,04 % en masse de Tween80® _{dans l’eau} 400 sonde FBRM

CO2

Emulsion CP/eau, à EM CP,0

w = 3,6 %, 10 ppm de

lithium, 1 % en masse de Tween80® _{dans l’eau} 400, 600 sonde FBRM

L’évolution de la constante de transfert gaz/liquide du CO₂ en fonction de la fraction massique en CP EM

CP,0

w est tracée sur la Figure IV.4. Les données présentées sont issues des expériences marquées d’une étoile * dans le Tableau IV.1. En présence d’une émulsion directe CP/eau, la constante de transfert gaz/liquide k a_Lw reste constante pour une fraction massique en CP inférieure à 17,23 % (Figure IV.4). La vitesse de consommation du gaz n’est donc pas affectée par la présence de la phase dispersée et reste identique à celle mesurée en eau pure. L’invariance de la constante de transfert gaz/liquide k a_Lw indique la non-participation des gouttelettes de cyclopentane au transfert du dioxyde de carbone à l’interface gaz/liquide à faible taux de CP. Une dissolution en série de type gaz dans l’eau puis de l’eau vers la phase organique

(Dumont et Delmas, 2003; Linek et Beneš, 1976) est donc vraisemblable. A 27,80 % de CP, la transition de l’émulsion s’observe puisque la constante de transfert gaz/liquide augmente significativement (Figure IV.4). Au-delà de 27,80 % de CP, la constante de transfert gaz/liquide augmente fortement. L’émulsion inverse eau/CP est ainsi présente à haute teneur en CP. La valeur de la constante de transfert gaz/liquide est calculée en considérant l’existence d’une émulsion inverse. En présence d’une émulsion inverse, la constante de transfert gaz/liquide est cent fois supérieure à celle de l’émulsion directe.

Figure IV.4 Evolution de la constante de transfert gaz/liquide k a_Lw en fonction de la fraction massique en CP EM

CP,0

w en présence de CO₂ à 400 tr/min.

Remarque : lors de l’introduction de l’émulsion (ou du CP pur) dans le réacteur sous pression à vitesse d’agitation nulle, la dissolution du gaz dans le liquide est considérée nulle avant remise en route de l’agitation (équation (4.5)). Or, en présence d’une phase organique où le CO2 est très

soluble, cette hypothèse devient discutable : les valeurs de

hc hc L L

k a sont donc sous-estimées dans les deux derniers points présentés ( EM

CP,0

w > 27,80 %) (Figure IV.4). Dans un second temps, la constante de transfert gaz/liquide

w L

k a est estimée à différentes vitesses d’agitation N en présence d’une phase gazeuse pure (CO2 ou N2) et d’eau pure. Ces

valeurs sont tracées sur la Figure IV.5. La constante de transfert gaz/liquide k a_Lw de chaque gaz apparaît constante à faible vitesse d’agitation puis un changement du régime hydrodynamique s’opère à une vitesse supérieure à 400 tr.min-1_{. Cette valeur correspond à l’apparition d’un vortex}

(avec possibilité d’entraînement de bulles de gaz). 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02 0 0,2 0,4 0,6 0,8 kla (s -1) EM CP,0 w

Chapitre IV. Etude cinétique

141 la faible solubilité de l’azote qui rend la dissolution difficilement mesurable, et la modélisation approximative.

Figure IV.5 Evolution de la constante de transfert gaz/liquide k aLw du CO2 ou de N2 en

fonction de la vitesse d’agitation N dans l’eau pure

A fraction massique équivalente en CP et en présence de la sonde FBRM, la constante de transfert gaz/liquide du CO2 en émulsion CP/eau reste inchangée quelque soit le taux en

Tween80® _{présent dans l’eau (Figure IV.6). Le taux de Tween80}® _{n’affecte donc pas la cinétique}

de dissolution du gaz.

Figure IV.6 Evolution de la constante de transfert gaz/liquide du CO2 en fonction de la

vitesse d’agitation N et du rapport massique en Tween80®_{, émulsion CP/eau à} EM CP,0

w =3,6 %. Les points entourés sont mesurés dans l’eau pure, les autres en émulsion.

La constante de transfert gaz/liquide

w L

k a est mesurée à différentes fractions de CP (<8 % massique) et à une vitesse d’agitation de 400 tr.min-1 _{en présence de la sonde FBRM. De}

nouveau, la constante de transfert gaz/liquide est constante à faible taux de CP et est égale à

0 2 4 6 8 10 12 14 200 250 300 350 400 450 500 550 600 10 -4kl a /s -1 N / tr. min-1 CO2 N2 0 10 20 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 10 -4kla /s -1

Rapport massique en Tween80 par rapport à l'eau 400 tr/min 600 tr/min

celle dans l’eau pure. Une cinétique de dissolution en série est observée : le gaz se dissout en premier dans la phase eau continue puis dans la phase dispersée de CP.

Dans le paragraphe §IV.2, ces mesures sont comparées aux valeurs de la constante de transfert globale mesurées au cours de la cristallisation dans des conditions hydrodynamiques similaires et en présence de la sonde FBRM.

Figure IV.7 Evolution de la constante de transfert gaz/liquide du CO2 en fonction de la

fraction massique en cyclopentane EM CP,0

w à 400 tr.min-1. Le taux en Tween80® _{est de 0,4 % et la sonde FBRM est présente.}