Du fait de la faible solubilité de l’oxygène dans les milieux aqueux et des différentes résistances rencontrées dans les divers contacteurs polyphasiques, de nombreux procédés de bioconversion se trouvent le plus souvent limités par le transfert d’oxygène. L’évolution des coûts opératoires, due aux importantes quantités d’énergies dissipées pour l’aération des milieux, a conduit à la mise au point de nouveaux types de contacteurs permettant :
- L’amélioration du transfert de matière par une fine dispersion gaz-liquide dans un volume aussi petit que possible,
- La possibilité de les faire fonctionner en continu, - La réalisation de ce transfert dans milieu triphasique,
Les trois caractéristiques énoncées ci-dessus doivent être obtenues avec une consommation énergétique faible. Il faut noter que ces conditions sont rarement rencontrées simultanément dans tous les réacteurs polyphasiques. En revanche, le contacteur venturi permet de bien répondre à ces spécifications. Il a été choisi de préférence à un contacteur mécaniquement agité pour l’absence des parties mobiles. Parallèlement aux procédés biologiques, un contact intime entre phases est également indispensable dans les procédés de lavage des gaz en vue de l’élimination des effluents gazeux toxiques (SO2, H2S, NOx (Gamisans et coll., 2002). Par suite, le laveur venturi a trouvé sa
place parmi les contacteurs classiques (colonnes à garnissage, colonnes à gouttes).
Les gammes des débits de gaz et de liquide utilisées dans les venturis permettent de les classer en trois grandes familles, à savoir le venturi à émulsion, à jet et à haute énergie.
- Venturi à émulsion : ce type de venturi met en œuvre des débits de gaz inférieurs aux
débits liquide (Qg/QL<1). La dépression créée au col du venturi par recirculation du liquide
constituant la phase continue, permet d'aspirer le gaz. On parle alors de fonctionnement en autoaspiration. Le mélange intime des phases gazeuse et liquide dans le divergent forme une émulsion, d'où le nom : " venturi à émulsion".
- Venturi à jet : ce type de venturi met en œuvre un rapport Qg/QL allant de 10 à 100. Le
liquide est dispersé dans le gaz constituant la phase continue à traiter au moyen d’une buse éjectrice placée à l'entrée du convergent. Le jet liquide couvrant le col permet d'obtenir une dépression qui engendre une aspiration du gaz environnant.
- Venturi à haute énergie : le gaz constituant la phase continue traverse le venturi, tandis que
En se basant sur l'état des phases en présence, il est possible de les regrouper en deux catégories :
• dispositifs à phase gazeuse continue regroupant les venturis à jet et à haute énergie
• dispositifs à phase liquide continue ou venturi à émulsion.
Le tableau 5 résume les principaux travaux de la littérature ayant trait à l'utilisation de ces contacteurs pour différentes applications. Signalons que pour les trois familles de venturi, il est possible de remplacer la phase liquide par une suspension liquide-solide (cas où le solide est un catalyseur mobile) (Roesyadi ,1985).
Références Dispositifs Applications
Bauer et coll. (1963) Jackson (1964) Fonteix (1978) Labit (1981) Tojo et Miyanami (1982) Ogawa et coll. (1983) Hadjidakis (1983)
Belhaj Soulami et coll. (1983) Belhaj Soulami (1984) Touré (1984) Bouhelassa (1985) Roesyadi (1985) Kifani (1987) Tahraoui (1990) Ben Addesselam (1990) Ben Achour et coll. (1990) Huynh et coll. (1991) Kiared et Zoulalian (1992) Briens et coll. (1992) Cramers et coll. (1992) Bezerra Moraes Medeiros (2001)
Gamisans et coll. (2002)
Venturi à émuslion Venturi à émuslion Laveur venturi à jet Fermenteur émulsair Venturi à jet
Venturi + colonne à bulles Venturi à haute énergie Venturi à jet Réacteur Verlifix Venturi à émulsion Bioréacteur émulsair Réacteur Verlimob Réacteur Verlifix Réacteur Verlifix Réacteur Verlifluid Venturi à haute énergie + colonne
Venturi à émulsion + colonne à bulles
Réacteur Verlifix
Venturi + colonne à bulles Venturi à jet Réacteur Verlifix Venturi à jet Absorbeur de CO2 Aérateur Absorbeur
Oxygénation du milieu biologique Oxygénation
Modélisation des écoulements Absorbeur
Absorbeur
Oxydation enzymatique du glucose Absorbeur réactionnel
Optimisation du transfert d’oxygène Oxydation catalytique du glucose Oxydation catalytique du glucose Oxydation catalytique du glucose Oxydation catalytique du glucose
Evaporation et élimination de SO2 par voie semi-sèche
Absorbeur
Oxydation de S02 en milieu liquide en présence du charbon actif
Absorbeur Absorbeur
Oxydation de S02 en milieu liquide en présence du charbon actif
Etude des performances
La capacité d'oxygénation constitue un critère important pour comparer les différents systèmes d'aération du point de vue rendement énergétique. Exprimée en kg(O2)/kwh, elle
correspond au débit spécifique d'oxygène transféré par Kwh d'énergie dissipée. Dans le tableau 6, nous avons reporté la comparaison des capacités d'oxygénation du contacteur venturi à émulsion avec celles issues de la littérature concernant d'autres systèmes. On remarque que le venturi assure une capacité de transfert gaz-liquide comparable à celles des aérateurs usuels, mais son volume étant réduit, sa capacité par unité de volume est donc maximale.
Equipement
Capacité d’oxygénation
(Kg (02)/Kwh Référence
Colonnes à bulles
Réacteurs mécaniquement agités Agitateur à jet (Jet mixer) Airlift Bioréacteur Emulsair 0,8 – 2,4 1,2 – 2,4 0,9 – 3,0 2,5 – 4,8 - écoulement descendant 0,5 – 3 Blenke (1979) Blenke (1979) Tojo et Miyanami (1982) Siegel et Merchuk (1988) Bouhelassa (1985)
Tableau 6: Capacités d'oxygénation des différents aérateurs
III.2. Historique des réacteurs polyphasiques à base de venturi
- Réacteur verlifix
En raison de certains problèmes rencontrés dans les trickle-bed classiques (distribution radiale et ségrégation des fluides), Belhaj Soulami et coll. (1983) ont cherché à concevoir un réacteur triphasé pouvant convenir à certains procédés de bioconversion et dans lequel les transferts gaz-liquide et liquide-solide seraient proches de ceux obtenus en réacteur mécaniquement agité tout en évitant les dégradations mécaniques et les dénaturations provoquées par le mobile d'agitation de ce dernier. Le dispositif ainsi réalisé est constitué d'un lit fixe contenant un support enzymatique placé en aval du venturi à émulsion. Pour analyser le fonctionnement du réacteur ainsi conçu, Belhaj Soulami (1984) a choisi comme réaction l'oxydation enzymatique d'une solution aqueuse de glucose en acide gluconique par l'air en présence de glucose oxydase immobilisée sur des particules macroporeuses de brique.
venturi (à émulsion et à jet respectivement). La réaction modèle étudiée est l'oxydation des solutions aqueuses de glucose en acide gluconique. Dans la même optique, Kiared (1992) a étudié la réaction d’oxydation du dioxyde de soufre (SO2) sur charbon actif à 25°C et à la pression
atmosphérique dans un réacteur triphasé du type verlifix. La phase liquide est une solution aqueuse plus ou moins enrichie en acide sulfurique, qui n’est rien d’autre que le produit de la réaction d’oxydation de SO2.
- Réacteur verlifluid
Dans la plupart des lits fluidisés triphasés la phase gazeuse est introduite à la base du lit par divers distributeurs: plaques perforées, ajutage de diamètre fixé, lit fixe de particules immobiles sphériques ou annulaires, etc. La nature du distributeur joue un rôle important pour la taille des bulles, et influe par suite sur les caractéristiques hydrodynamiques et de transfert du lit fluidisé. De plus, les caractéristiques des bulles doivent être conservées lors de l'extrapolation du réacteur. Pour ces deux raisons, Ben Abdesselam et coll. (1988) ont conçu un réacteur triphasé à lit fluidisé par une émulsion gaz-liquide générée dans un venturi à émulsion placé en amont du lit fluidisé. Ces auteurs ont montré que les paramètres de transfert gaz-liquide dans ce type de réacteur sont meilleurs que ceux obtenus dans les lits fluidisés à distributeurs usuels. Dans la littérature, ce type de venturi a été également envisagé en amont d'une colonne à bulle afin d’améliorer les performances de transfert (Huynh et coll.,1991).
- Réacteur Emulsair
La conception et l'étude du premier réacteur Emulsair a fait l'objet du travail de thèse de Labit (1981). En raison de certains problèmes rencontrés dans les biréacteurs classiques (dégradation des micro-organismes, colmatage des lits immobilisés, limitation de la capacité de transfert d'oxygène,...), Labit (1981) a cherché à concevoir un fermenteur à recirculation externe pouvant convenir à certains procédés biologiques aérobies. En effet, l'apport de l'oxygène se fait d'abord dans un contacteur gaz-liquide du type venturi à émulsion placé en amont de la cuve, et dans la cuve elle même . Le liquide est alors recyclé pour être à nouveau oxygéné et sert en même temps à bien mélanger la phase liquide. Pour quantifier les besoins en oxygène des systèmes biologiques dans le bioréacteur ainsi conçu, Labit a choisi comme application le traitement des eaux résiduaires et les fermentations industrielles (fabrication du vinaigre). Dans un souhait d'extension du bioréacteur Emulsair, Bouhelassa (1985) a cherché à optimiser le transfert d'oxygène dans ce dernier en modifiant la nature du distributeur, et certains paramètres géométriques du venturi et de la cuve agitée.
III.3. Principales Corrélations de la littérature relatives au coefficient de transfert de matière gaz-liquide dans les réacteurs polyphasiques à base de venturi
Pour comparer quantitativement les performances de transfert gaz-liquide dans les contacteurs à jet et les venturis, les auteurs ont pris l’habitude d’adopter les corrélations proposées par Reiss (1967) relatives aux lits fixes. Reiss a proposé de corréler le coefficient de transfert de matière côté liquide, KLa, à la puissance mécanique spécifique totale ET ou à la puissance
spécifique dégradée en phase liquide EL. Le transfert de matière gaz-liquide dans les absorbeurs à
jet et dans les venturis a été beaucoup étudié. Nous nous contenterons de les citer, ainsi que les corrélations proposées (Tableau 7).
Références Système :
gaz-liquide
Dispositifs Corrélations
Tojo et Miyannami (1982) Air/Eau Jet descendant et ascendant liquide (buse), débouchant dans un réservoir - Jet ascendant : KLa=0,029(EL)0,65 - Jet descendant : KLa=0,017(ET)0,65 Hadjidakis (1983) Air- CO2/K2CO3+KHCO3
Venturi à haute énergie KLS = 6,05x10-5(ET)0,5 Belhaj Soulami (1984) Air/Eau
Réacteur Verlifix (venturi à émulsion placé en amont
d’un lit fixe KLa = 8,01x10
-4(E L)0,57
Bouhelassa (1985) Air/Eau Réacteur Emulsair KLa = 8,2x10-4(EL)0,56 Kifani (1987) Air/Eau Réacteur Verlifix (venturi à émulsion placé en amont
d’un lit fixe
- Monolithe alvéolaire KLa = 9,46x10-5(EL)0,77 - Particules d’alumine KLa = 8,565x10-4(EL)0,48 Ben Abdesselam et coll.
(1988)
Air/Eau Réacteur Verlifluid (venturi à émulsion placé en amont d’un lit fluidisé)
KLa = 1,7x10-3(EL)0,475
Tahraoui (1992) Air/Eau
Réacteur Verlifix (venturi à jet placé en amont d’un lit fixe)
KLa = a(ET)b
Les coefficients a et b sont donnés pour chaque débit de gaz
Kiared (1992) Air/Eau Réacteur Verlifix (venturi à jet placé en amont d’un lit
fixe) KLa = 3,52x10
-4(E L)0,74
Briens et coll. (1992) Air/Eau Combinaison d’un venturi
avec une colonne à bulle
- Zone annulaire KLa = 0,965 (Qg/QL)1,91
- Zone à bulle
KLa = 9,16 (Ugb)0,986
Ugb: vitesse superficielle moyenne du gaz dans la zone à bulle