Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz. Cas de la colonne à gouttes transportées

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1 n Ordre 02 ISAL 0111 Année 2002 THESE Présentée devant L INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz. Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR FORMATION DOCTORALE : Sciences et Techniques du Déchet ECOLE DOCTORALE : Ecole doctorale de chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement) Par KIES Fairouz Khalida (Ingénieur Génie Chimique de l Ecole Nationale Polytechnique d Alger, Algérie) Soutenenue le 17 décembre 2002 devant la Commission d examen Jury MM. B. BENADDA Professeur (INSA de Lyon) Directeur de thèse R. GOURDON Professeur (INSA de Lyon) P. LANG Professeur (Université de Budapest) Rapporteur P. MOSZKOWICZ Professeur (INSA de Lyon) M. OTTERBEIN Professeur (INSA de Lyon) Président du jury M. ROUSTAN Professeur (INSA de Toulouse) Rapporteur Cette thèse a été réalisée au Laboratoire d Analyse Environnementale des Procédés et des Systèmes Industriels

2 INSA DE LYON DEPARTEMENT DES ETUDES DOCTORALES ET RELATIONS INTERNATIONALES SCIENTIFIQUES MARS 2002 Ecoles Doctorales et Diplômes d Etudes Approfondies habilités pour la période ECOLES DOCTORALES n code national RESPONSABLE PRINCIPAL CORRESPONDANT INSA DEA INSA n code national RESPONSABLE DEA INSA CHIMIE DE LYON (Chimie, Procédés, Environnement) EDA206 M. D. SINOU UCBL Sec Fax M. R. GOURDON Sec Fax Chimie Inorganique Sciences et Stratégies Analytiques Sciences et Techniques du Déchet M. R. GOURDON Tél Fax ECONOMIE, ESPACE ET MODELISATION DES COMPORTEMENTS (E 2 MC) M.A. BONNAFOUS LYON Sec Fax Mme M. ZIMMERMANN Fax Villes et Sociétés Dimensions Cognitives et Modélisation Mme M. ZIMMERMANN Tél Fax M. L. FRECON Tél Fax EDA417 ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE (E.E.A.) EDA160 M. G. GIMENEZ INSA DE LYON Fax Automatique Industrielle Dispositifs de l Electronique Intégrée Génie Electrique de Lyon M. M. BETEMPS Tél Fax M. D. BARBIER Tél Fax M. J.P. CHANTE Tél Fax EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION (E2M2) EDA403 M. J.P FLANDROIS UCBL Sec Fax M. S. GRENIER Fax Images et Systèmes Analyse et Modélisation des Systèmes Biologiques Mme I. MAGNIN Tél Fax M. S. GRENIER Tél Fax INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR LA SOCIETE (EDIIS) M. J.M. JOLION INSA DE LYON Fax Documents Multimédia, Images et Systèmes d Information Communicants Extraction des Connaissances à partir des Données M. A. FLORY Tél Fax M. J.F. BOULICAUT Tél Fax EDA 407 INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES- SANTE (EDISS) EDA205 M. A.J. COZZONE UCBL Sec Fax M. M. LAGARDE Fax Informatique et Systèmes Coopératifs pour l Entreprise Biochimie M. A. GUINET Tél Fax M. M. LAGARDE Tél Fax MATERIAUX DE LYON UNIVERSITE LYON 1 EDA 034 M. J. JOSEPH ECL Sec Fax M. J.M. PELLETIER Fax Génie des Matériaux : Microstructure, Comportement Mécanique, Durabilité Matériaux Polymères et Composites M. J.M.PELLETIER Tél Fax M. H. SAUTEREAU Tél Fax Matière Condensée, Surfaces et Interfaces M. G. GUILLOT Tél Fax MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE FONDAMENTALE (Math IF) M. NICOLAS UCBL Fax M. J. POUSIN Fax Analyse Numérique, Equations aux dérivées partielles et Calcul Scientifique M. G. BAYADA Tél Fax EDA 409 MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE (MEGA) EDA162 M. J. BATAILLE ECL Sec Fax M. G.DALMAZ Fax Acoustique Génie Civil Génie Mécanique Thermique et Energétique M. J.L. GUYADER Tél Fax M. J.J.ROUX Tél Fax M. G. DALMAZ Tél Fax M. J. F. SACADURA Tél Fax En grisé : Les Ecoles doctorales et DEA dont l INSA est établissement principal 1

3 Professeurs de l INSA de Lyon Décembre 2002 INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Directeur : STORCK.A Professeurs AUDISIO S. BABOT D. BABOUX J.C. BALLAND B. BAPTISTE P. BARBIER D. BASTIDE J.P. BAYADA G. BENADDA B. BETEMPS M. BIENNIER F. BLANCHARD J.M. BOISSON C. BOIVIN M. (Prof. émérite) BOTTA H. BOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) BOULAYE G. (Prof. émérite) BOYER J.C. BRAU J. BREMOND G. BRISSAUD M. BRUNET M. BRUNIE L. BUREAU J.C. CAVAILLE J.Y. CHANTE J.P. CHOCAT B. COMBESCURE A. COUSIN M. DAUMAS F. (Mme) DOUTHEAU A. DUFOUR R. DUPUY J.C. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE CONT. NON DESTR. PAR RAYONNEMENT IONISANTS GEMPPM*** PHYSIQUE DE LA MATIERE PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS PHYSIQUE DE LA MATIERE LAEPSI**** MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUE LAEPSI**** AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS LAEPSI**** VIBRATIONS-ACOUSTIQUE MECANIQUE DES SOLIDES UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement Urbain UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement Urbain INFORMATIQUE MECANIQUE DES SOLIDES CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du bâtiment PHYSIQUE DE LA MATIERE GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE MECANIQUE DES SOLIDES INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION CEGELY* GEMPPM*** CEGELY*- Composants de puissance et applications UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine MECANIQUE DES CONTACTS UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures CETHIL Energétique et Thermique CHIMIE ORGANIQUE MECANIQUE DES STRUCTURES PHYSIQUE DE LA MATIERE KIES Fairouz K. Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement) Page 2

4 Professeurs de l INSA de Lyon EMPTOZ H. ESNOUF C. EYRAUD L. (Prof. émérite) FANTOZZI G. FAVREL J. FAYARD J.M. FAYET M. FERRARIS-BESSO G. FLAMAND L. FLORY A. FOUGERES R. FOUQUET F. FRECON L. GERARD J.F. GERMAIN P. GIMENEZ G. GOBIN P.F. (Prof. émérite) GONNARD P. GONTRAND M. GOUTTE R. (Prof. émérite) GOUJON L. GOURDON R. GRANGE G. GUENIN G. GUICHARDANT M. GUILLOT G. GUINET A. GUYADER J.L. GUYOMAR D. HEIBIG A. JACQUET RICHARDET G. JAYET Y. JOLION J.M. JULLIEN J.F. JUTARD A. (Prof. émérite) KASTNER R. KOULOUMDJIAN J. LAGARDE M. LALANNE M. (Prof. émérite) LALLEMAND A. LALLEMAND M. (Mme) RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISION GEMPPM*** GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GEMPPM*** PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS BIOLOGIE APPLIQUEE MECANIQUE DES SOLIDES MECANIQUE DES STRUCTURES MECANIQUE DES CONTACTS INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION GEMPPM*** GEMPPM*** INFORMATIQUE MATERIAUX MACROMOLECULAIRES LAEPSI**** CREATIS** GEMPPM*** GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE CEGELY*- Composants de puissance et applications CREATIS** GEMPPM*** LAEPSI****. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GEMPPM*** BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE PHYSIQUE DE LA MATIERE PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS VIBRATIONS-ACOUSTIQUE GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE LAB. MATHEMATIQUE APPLIQUEES LYON MECANIQUE DES STRUCTURES GEMPPM*** RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISION UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Géotechnique INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE MECANIQUE DES STRUCTURES CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique KIES Fairouz K. Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement) Page 3

5 Professeurs de l INSA de Lyon LAREAL P. LAUGIER A. LAUGIER C. LEJEUNE P. LUBRECHT A. MAZILLE H. MERLE P. MERLIN J. MIGNOTTE A. (Mle) MILLET J.P. MIRAMOND M. MOREL R. MOSZKOWICZ P. MOURA A. NARDON P. (Prof. émérite) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Géotechnique PHYSIQUE DE LA MATIERE BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES MECANIQUE DES CONTACTS PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE GEMPPM*** GEMPPM*** INGENIERIE, INFORMATIQUE INDUSTRIELLE PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine MECANIQUE DES FLUIDES LAEPSI**** GEMPPM*** BIOLOGIE APPLIQUEE NIEL E. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE NORTIER P. ODET C. OTTERBEIN M. (Prof. émérite) PARIZET E. PASCAULT J.P. PAVIC G. PELLETIER J.M. DREP CREATIS** LAEPSI**** VIBRATIONS-ACOUSTIQUE MATERIAUX MACROMOLECULAIRES VIBRATIONS-ACOUSTIQUE GEMPPM*** PERA J. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Matériaux PERRIAT P. PERRIN J. PINARD P. (Prof. émérite) PINON J.M. PONCET A. POUSIN J. PREVOT P. GEMPPM*** ESCHIL Equipe Sciences Humaines de l Insa de Lyon PHYSIQUE DE LA MATIERE INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION PHYSIQUE DE LA MATIERE MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUE GRACIMP Groupe de Recherche en Apprentissage, Coopération et Interfaces Multimodales pour la Productique PROST R. RAYNAUD M. REDARCE H. REYNOUARD J.M. RIGAL J.F. RIEUTORD E. (Prof. émérite) ROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. émérite) ROUBY D. ROUX J.J. CREATIS** CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matériaux AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures MECANIQUE DES SOLIDES MECANIQUE DES FLUIDES GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES GEMPPM*** CENTRE DE THERMIQUE DE LYON Thermique de l Habitat KIES Fairouz K. Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement) Page 4

6 Professeurs de l INSA de Lyon RUBEL P. RUMELHART C. SACADURA J.F. SAUTEREAU H. SCAVARDA S. SOUIFI A. SOUROUILLE J.L. THOMASSET D. UBEDA S. THUDEROZ C. UNTERREINER R. VELEX P. VIGIER G. VINCENT A. VRAY D. VUILLERMOZ P.L. (Prof. émérite) INGENIERIE DES SYSTEMES D INFORMATION MECANIQUE DES SOLIDES CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matériaux MATERIAUX MACROMOLECULAIRES AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE PHYSIQUE DE LA MATIERE INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLE AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE CENTRE D INNOV. EN TELECOM ET INTEGRATION DE SERVICES ESCHIL Equipe Sciences Humaines de l Insa de Lyon CREATIS** MECANIQUE DES CONTACTS GEMPPM*** GEMPPM*** CREATIS** PHYSIQUE DE LA MATIERE Directeurs de recherche C.N.R.S. BERTHIER Y. CONDEMINE G. COTTE-PATAT N. (Mme) FRANCIOSI P. MANDRAND M.A. (Mme) POUSIN G. ROCHE A. SEGUELA A. MECANIQUE DES CONTACTS UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE GEMPPM*** UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE MATERIAUX MACROMOLECULAIRES GEMPPM*** Directeurs de recherche I.N.R.A. FEBVAY G. GRENIER S. RAHBE Y. BIOLOGIE APPLIQUEE BIOLOGIE APPLIQUEE BIOLOGIE APPLIQUEE Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. PRIGENT A.F. (Mme) BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE MAGNIN I. (Mme) CREATIS** * CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON ** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET D APPLICATIONS EN TRAITEMENT DE L IMAGE ET DU SIGNAL ***GEMPPM GROUPE D'ETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX ****LAEPSI LABORATOIRE D ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES PROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS KIES Fairouz K. Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement) Page 5

7 Remerciements KIES Fairouz K. Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

8 Remerciements décembre 2002 REMERCIEMENTS La présente étude a été réalisée au sein de l équipe Génie des Procédés du Laboratoire d Analyse Environnementale des Procédés et des Systèmes Industriels (LAEPSI) de l Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Lyon sous la responsabilité de Monsieur le Professeur Belkacem BENADDA. Mes vifs remerciements vont tout d abord à Monsieur le Professeur Belkacem BENADDA pour son suivi, pour son soutien, pour sa confiance et pour m avoir fourni le cadre et les moyens nécessaires pour mener à bien ce travail de recherche, je lui suis profondément reconnaissante. Je tiens à remercier et à exprimer ma gratitude à Monsieur le Professeur Michel OTTERBEIN, pour son aide, pour ses conseils avisés et pour avoir accepté de faire partie du jury. Je remercie Monsieur le Professeur Alain NAVARRO, ancien directeur du LAEPSI pour m avoir donné la chance d intégrer ce laboratoire. Je remercie également son successeur, Monsieur le Professeur Pierre MOSZKOWICZ ainsi que Monsieur le Professeur Rémy GOURDON, responsable de la formation doctorale Sciences et Techniques du Déchet, qui me font l honneur de participer au jury. Je suis également sensible à l honneur que m ont fait Messieurs Peter LANG, Professeur à l Université de Technologie et d Economie de Budapest et Monsieur Michel ROUSTAN, Professeur à l Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse, en acceptant d être rapporteurs de ce travail et de faire partie du jury. J adresse mes remerciements à Monsieur Daniel DEPRAW de la Société Procédair, Madame Laurence KERDRAON et Monsieur Bernard SIRET de la société LAB.SA pour le suivi et le financement d une partie de cette recherche. Je remercie également l équipe technique du Centre d Essais LAB.SA de Villeurbanne pour leur aide. Je remercie Monsieur Christian GUOIN, technicien au LAEPSI, et Monsieur Umir SHEIKH, technicien au département Génie Energétique et Environnement, pour la réalisation du nouveau séparateur gaz-liquide de la colonne à gouttes transportées et Monsieur Karim LOUNIS, technicien POLDEN, pour avoir mis à ma disposition le matériel nécessaire pour effectuer cette étude. Je remercie Monsieur SHEIKH également pour la maintenance de la colonne à gouttes transportées et sa disponibilité pendant toute la durée des essais. Page 6

9 Remerciements décembre 2002 Mes remerciements s adressent aux enseignants et aux doctorants du LAEPSI que j ai eu le plaisir de connaître. Je remercie particulièrement : Ammar et sa femme Raghda, Daniéla et son mari Mircea, Samah et son mari Chaker, Agnès, Nathalie, Catherine, Gwenaëlle, Zou, Enrico, Pierre, Rémy,. pour les moments agréables passés ensemble. Je tiens également à exprimer toute ma gratitude et ma reconnaissance envers les familles : BRETTON, CARON, GOUTORBE et RICOU pour leurs encouragements et l aide précieuse qu elles ont pu m apporter. J adresse mes remerciements à l ensemble du personnel de la Société F.O.R.C.E. d Algérie pour les services rendus. Merci à : Ouassila, Kheireddine, Nafissa, Nasser, Ilhem, Naïla, Sabrina, Samia et à toutes les personnes qui m ont apporté leurs encouragements. Enfin, je ne saurais oublier mes parents et ma sœur qui ont su m encourager et me soutenir et à qui je dédie ce travail en témoignage de ma profonde affection. Page 7

10 Sommaire KIES Fairouz K. Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

11 Sommaire décembre 2002 Sommaire REMERCIEMENTS 6 SOMMAIRE 8 INTRODUCTION GENERALE 13 1 PRESENTATION DE LA COLONNE A GOUTTES TRANSPORTEES Principe de fonctionnement Présentation de l installation pilote La colonne à gouttes transportées Le circuit air Le circuit eau Le séparateur gaz-liquide L injection des polluants gazeux acides Le dispositif de mesure des pressions 23 2 ETUDE HYDRODYNAMIQUE Introduction Détermination des pertes de charge de l installation Détermination du profil des pressions Détermination des pertes de charge totales Détermination de la rétention liquide dans l installation Détermination de la rétention liquide partielle (ε LP ) Détermination de la rétention liquide totale (ε L ) Détermination de la puissance consommée Détermination de la Distribution des Temps de Séjour (DTS) Introduction Aspects théoriques de la DTS Fonctions de Distribution des Temps de Séjour Détermination expérimentale des fonctions de distribution Distribution des temps de séjour dans les divers types de réacteurs Interprétation hydrodynamique des mesures de DTS. Diagnostics de mauvais fonctionnement Modélisation des écoulements de fluide 40 Page 8

12 Sommaire décembre Etude expérimentale de la distribution des temps de séjour dans la phase liquide Procédure expérimentale Résultats expérimentaux et discussion Conclusion 48 3 DETERMINATION DES PARAMETRES DE TRANSFERT DE MATIERE GAZ-LIQUIDE DE LA COLONNE A GOUTTES TRANSPORTEES 50 INTRODUCTION 50 3.A ASPECTS THEORIQUES DU TRANSFERT DE MATIERE GAZ-LIQUIDE 51 3.A.1 Coefficients de transfert de matière 51 3.A.2 Modèles de transfert de matière gaz-liquide 52 3.A.2.1 Absorption en absence d une réaction chimique 53 3.A.2.2 Modèle du double film de Lewis et Whitman 53 3.A.2.3 Modèle de pénétration de Higbie 55 3.A.2.4 Modèle de renouvellement de surface de Danckwerts 56 3.A.2.5 Absorption en présence d une réaction chimique 57 3.A Régime de réaction lente (Ha < 0,3) 59 3.A Régime de réaction intermédiaire (0,3 < Ha < 3) 60 3.A Régime de réaction rapide (Ha > 3) 60 3.A Réaction rapide du pseudo-premier ordre A Réaction instantanée (Ha >5 10E i ) 61 3.A.3 Paramètres de transfert de matière des divers réacteurs gaz-liquide 62 3.A.4 Transfert de matière dans les colonnes classiques à pulvérisation 63 3.A.4.1 Aire interfaciale a 63 3.A.4.2 Coefficients de transfert de matière côté liquide k L a et k L 64 3.A.4.3 Coefficients de transfert de matière côté gaz k G a et k G 64 3.A.4.4 Relations entre les paramètres de transfert de matière gaz-liquide et les paramètres de fonctionnement dans les colonnes à pulvérisation 65 3.B DETERMINATION DE L AIRE INTERFACIALE (a) 66 3.B.1 Introduction 66 3.B.2 Méthodes de détermination de l aire interfaciale 66 3.B.2.1 Méthodes physiques de détermination de a 66 3.B.2.2 Méthodes chimiques de détermination de a 67 Page 9

13 Sommaire décembre B.3 Aspects théoriques de la détermination de a par la méthode chimique 68 3.B.3.1 Cinétique de la réaction d oxydation du sulfite de sodium 68 3.B.3.2 Détermination de a en régime rapide 69 3.B.4 Détermination expérimentale de l aire interfaciale 72 3.B.4.1 Procédure expérimentale 72 3.B.4.2 Conditions expérimentales 73 3.B.4.3 Influence du débit de liquide et du débit de gaz sur a 74 3.B.4.4 Vérification du régime de réaction 77 3.B.5 Détermination du diamètre moyen des gouttes (d G ) 78 3.B.5.1 Relation entre le diamètre des gouttes et l aire interfaciale 78 3.B.5.2 Influence du débit de liquide et du débit de gaz sur d G 78 3.B.6 Conclusion 81 3.C DETERMINATION DU COEFFICIENT VOLUMETRIQUE DE TRANSFERT DE MATIERE EN PHASE LIQUIDE (k L a) 82 3.C.1 Introduction 82 3.C.2 Méthodes de détermination du coefficient volumétrique de transfert de matière k L a 82 3.C.2.1 Méthodes physiques de détermination de k L a 82 3.C.2.2 Méthodes chimiques de détermination de k L a 82 3.C.3 Aspects théoriques de la méthode de la réoxygénation 84 3.C.4 Détermination expérimentale du coefficient k L a 86 3.C.4.1 Procédure expérimentale 86 3.C.4.2 Conditions expérimentales 88 3.C.4.3 Influence du débit de liquide et du débit de gaz sur le coefficient k L a 90 3.C.4.4 Influence de la rétention liquide totale sur le coefficient k L a 93 3.C.4.6 Détermination du coefficient de transfert de matière côté liquide 94 3.C.5 Conclusion 95 3.D DETERMINATION DU COEFFICIENT VOLUMETRIQUE DE TRANSFERT DE MATIERE EN PHASE GAZEUSE (k G a) 96 3.D.1 Introduction 96 3.D.2 Méthodes de détermination du coefficient volumétrique de transfert de matière k G a 96 3.D.2.1 Méthodes physiques de détermination de k G a 96 Page 10

14 Sommaire décembre D.2.2 Méthodes chimiques de détermination de k G a 96 3.D.3 Aspects théoriques de la détermination de k G a par la méthode chimique 97 3.D.3.1 Cinétique de la réaction d oxydation du dioxyde de soufre 98 3.D.3.2 Détermination du coefficient k G a par absorption du dioxyde de soufre dans une solution de soude 99 3.D.4 Détermination expérimentale du coefficient k G a 99 3.D.4.1 Procédure expérimentale 99 3.D.4.2 Conditions expérimentales D.4.3 Influence du débit de liquide et du débit de gaz sur le k G a D.4.4 Détermination du coefficient de transfert de matière côté gaz D.4.5 Vérification du régime de réaction D.5 Conclusion 106 CONCLUSION TRAITEMENT DES EFFLUENTS GAZEUX DANS LA COLONNE A GOUTTES TRANSPORTEES Introduction Incinération des déchets Pollution issue de l incinération des déchets Normes de rejet des usines d incinération Principales techniques de traitement des fumées de l incinération des déchets Nature des polluants gazeux traités par la colonne à gouttes transportées Chlorure d hydrogène Dioxyde de soufre Absorption des polluants gazeux par la colonne à gouttes transportées : mode opératoire Injection de polluants Echantillonnage des polluants Dosage des polluants Efficacité d absorption du chlorure d hydrogène (HCl) Influence du débit de liquide Influence du débit de gaz Efficacité d absorption du SO Page 11

15 Sommaire décembre Influence du débit de liquide Influence du débit de gaz Relation entre les concentrations des polluants dans le gaz et le coefficient volumétrique de transfert de matière côté gaz Efficacité d absorption du mélange HCl + SO Conclusion DETERMINATION DES PARAMETRES DE TRANSFERT DE MATIERE DU PROCEDE TFGV ET COMPARAISON AVEC LA COLONNE A GOUTTES TRANSPORTEES Introduction Dispositif expérimental Détermination de l aire interfaciale (a) du Procédé TFGV Conditions expérimentales Influence du débit de liquide et du débit de gaz sur a Détermination du coefficient volumétrique de transfert de matière côté liquide (k L a) du procédé TFGV Conditions expérimentales Influence du débit de liquide et du débit de gaz sur le coefficient k L a Détermination du coefficient de transfert de matière côté liquide (k L ) Comparaison des procédés à hautes vitesses de gaz aux laveurs classiques de fumées Conclusion 140 CONCLUSION GENERALE 141 NOMENCLATURE 143 BIBLIOGRAPHIE 146 ANNEXES 156 Page 12

16 Introduction Générale KIES Fairouz Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

17 Introduction Générale décembre 2002 Introduction Générale Le décret du 25 octobre 1991 précise que, par émission polluante dans l air, il y a lieu d entendre l émission dans l atmosphère de gaz ou de particules solides ou liquides, corrosifs, toxiques ou odorants, de nature à compromettre la santé publique ou la qualité de l environnement ou à nuire au patrimoine agricole, forestier ou bâti. Avec une telle définition, il est nécessaire, pour caractériser une situation de pollution atmosphérique, de prendre en compte un nombre important de constituants qui se présentent sous forme de gaz, d aérosols ou de particules. Lutter contre la pollution de l air, et empêcher l émission dans l atmosphère de substances qui peuvent s avérer nocives pour la santé de l homme et son environnement est devenue primordiale. Les émissions de polluants sont nombreuses : Les transports : c est une source de pollution diffuse dont les principaux rejets sont constitués de dioxyde de soufre (particulièrement pour les diesels), et d autres produits de combustion comme le monoxyde de carbone, le monoxyde d azote et des suies ; Les procédés industriels : rejet de solvants, rejets de l industrie pétrochimique,.. Les foyers fixes de combustion : centrales thermiques, installations de chauffage, usines d incinération d ordures ménagères,.. Dans un contexte réglementaire évolutif qui se traduit par des normes de rejets à l'atmosphère de plus en plus sévères, la nécessité d' améliorer en permanence les technologies classiques de traitement des fumées conduit à concevoir des installations dont le coût ne cesse de croître. La période actuelle est propice au développement de procédés fondés sur des concepts originaux qui permettent d' augmenter les performances d'épuration tout en diminuant les coûts d'équipement et d'exploitation. C'est pour cette raison que notre équipe réalise une étude sur la colonne à gouttes transportées qui est un nouveau procédé de traitement des fumées de conception et d'exploitation simple et peu onéreuses L' originalité de ce procédé réside dans le fonctionnement sous des vitesses élevées de gaz pouvant atteindre les 13 m/s et donc compatibles avec les vitesses que l'on retrouve en sortie des unités thermiques. Cette haute vitesse de gaz assure un haut niveau de turbulence qui permet d'améliorer les transferts de matière entre le gaz et le liquide. La colonne à gouttes transportées est un contacteur gaz liquide conçu pour un traitement simultané des polluants acides (HCl, SO 2 ) et des poussières contenus dans les fumées. Son principe repose sur le transfert des polluants de la phase gazeuse à une phase liquide plus facile à traiter. Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 13

18 Introduction Générale décembre 2002 L idée de la colonne à gouttes transportées est inspirée des travaux d une équipe de chercheurs de Rhône-Poulenc qui a entrepris l étude du comportement d une colonne à bulles soumise à des vitesses de gaz de plus en plus élevées. Les réacteurs colonne à bulles sont largement employés en génie chimique dans les procédés d absorption, d oxydation des boues, la bioaération et la liquéfaction des houilles. Ces réacteurs gaz-liquide présentent l avantage d une consommation énergétique réduite, une simplicité de construction, un faible coût et une grande fiabilité en cours d exploitation. Le dimensionnement de ces réacteurs et leur conception reposent sur la connaissance de l hydrodynamique des phases présentes et des paramètres de transfert de matière qui sont principalement l aire interfaciale, a, et les coefficients volumétriques de transfert de matière côté liquide, k L a, et côté gaz, k G a. Ces paramètres régissent la cinétique globale de l absorption gaz-liquide. Les premiers travaux effectués sur les colonnes à bulles à hautes vitesses de gaz portent sur une colonne ayant une hauteur de 3,2 m et un diamètre égal à 0,075 m. Les chercheurs ont constaté que dans ce type de colonnes, il est possible de passer d une dispersion de gaz dans un liquide à une dispersion de liquide dans un gaz lorsque les vitesses de gaz sont supérieures à 5,5 m/s. Dans ce domaine de gouttes transportées, la rétention liquide est faible et la colonne est performante pour traiter des poussières (oxydes de fer, talc,..) et des gaz pollués par des vapeurs acides constituées de chlorure d hydrogène ou de dioxyde de soufre. L étude de ce procédé, qui a donné lieu à un brevet, a été poursuivie par l équipe de génie chimique du Laboratoire d Analyse Environnementale des Procédés et des Systèmes Industriels de L INSA de Lyon. Un nouveau procédé, appelé colonne à gouttes transportées, a été mis au point pour le traitement des fumées par voie humide. La colonne à gouttes transportées est un contacteur gaz-liquide de diamètre 0,15 m et de 3 m de hauteur. Ce procédé fonctionne à co-courant pour des vitesses de gaz assez élevées comprises entre 8 m/s et 13 m/s. L étude réalisée par Muller (1999) a permis de mettre en évidence l efficacité de ce nouveau procédé pour la dépollution des fumées. En effet, la colonne à gouttes transportées permet de réaliser simultanément au sein du même volume réactionnel, la captation des poussières et le lavage des gaz par absorption : l ensemble des polluants gazeux est transféré vers la phase liquide faisant appel à un traitement adapté. Les résultats obtenus pour les poussières (gypse, plâtre, silices thermiques, argiles kaoliniques et farines de ciment et cendres) dont le spectre granulométrique est proche de celle des fumées issues de l incinération des ordures ménagères sont assez bons en terme d efficacité et de quantités de polluants rejetés après épuration. Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 14

19 Introduction Générale décembre 2002 Les essais réalisés sur les effluents gazeux acides montrent que la colonne étudiée présente un grand potentiel d absorption pour ce type de polluants ; l efficacité de captation du chlorure d hydrogène et du dioxyde de soufre dépasse les 90 % et les quantités rejetées après traitement répondent aux normes de l arrêté du 25 janvier Cependant, ces rejets ne sont pas conformes avec ceux prescrits par la récente circulaire Lepage du 24 février 1997 et par la nouvelle directive européenne. Nous avons entrepris cette nouvelle étude, sur la colonne à gouttes transportées avec comme objectif l amélioration de son efficacité de captation des polluants gazeux acides (HCl et SO 2 ), à la demande de la société PROCEDAIR qui est à la recherche de nouveaux procédés de traitement des fumées. Les essais préliminaires réalisés sur notre procédé ont indiqué la présence de fines gouttelettes dans le gaz sortant de la cheminée de la colonne. Ces gouttelettes chargées en polluants étaient responsables des fortes concentrations observées dans le flux gazeux après traitement qui ne permettaient pas de répondre correctement aux normes de rejets appliquées aux installations d incinération des ordures ménagères. Pour pallier à ce problème, nous avons choisi de modifier le séparateur gaz-liquide. La configuration du nouveau séparateur a été proposée par l équipe technique de la société PROCEDAIR. La colonne à gouttes transportées est un contacteur gaz-liquide de diamètre 0,15 m et de 3 m de hauteur. Ce procédé fonctionne à co-courant pour des vitesses de gaz assez élevées comprises entre 8 m/s et 13 m/s, dont le principe, similaire à celui des colonnes à pulvérisation de liquide, consiste à projeter des gouttes dans une enceinte contenant du gaz qui véhicule des polluants. La mise en contact entre le gaz et le liquide permet aux gouttes de capter les polluants et de les extraire du gaz. L étude expérimentale réalisée sur ce procédé est constituée de cinq chapitres : Le premier chapitre est une présentation détaillée de la colonne à gouttes transportées, son principe, ses caractéristiques et ses conditions de fonctionnement. Le deuxième chapitre concerne l étude hydrodynamique qui consiste à déterminer les pertes de charge, la rétention liquide et la consommation énergétique en fonction du débit de gaz et du débit de liquide circulant dans la colonne à gouttes transportées. Nous présentons également les résultats de la Distribution des Temps de Séjour (DTS) mise en œuvre afin d identifier l écoulement de la phase liquide. Le troisième chapitre est consacré à la détermination des paramètres de transfert de matière gaz-liquide : a, k L a et k G a. Ce chapitre est constitué des quatre parties suivantes : La partie A constitue un rappel des éléments théoriques pour l étude de l absorption gazliquide avec ou sans réaction chimique et les outils nécessaires à la compréhension du Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 15

20 Introduction Générale décembre 2002 transfert de matière. Après une description des principaux modèles de transfert, une analyse bibliographique des principaux travaux concernant la détermination des paramètres de transfert de matière dans les colonnes à pulvérisation de liquide dans un gaz est présentée. La partie B concerne la détermination de l aire interfaciale a de la colonne à gouttes transportées. Le système chimique O 2 -Air/Na 2 S 2 O 3, en présence de CoSO 4 comme catalyseur, est employé pour mesurer a par absorption physique en présence d une réaction chimique en régime rapide de pseudo-premier ordre. Connaissant l aire interfaciale et la rétention liquide nous avons calculé le diamètre moyen pour connaître la taille des gouttes formées dans la colonne. Des corrélations reliant l aire interfaciale et le diamètre moyen des gouttes aux débits des fluides sont proposées. Dans la partie C le coefficient volumétrique de transfert de matière côté liquide k L a est déterminé par l étude de la réoxygénation de l eau qui est une méthode d absorption physique sans réaction chimique. Les résultats expérimentaux des coefficients k L a et k L sont présentés en fonction du débit de liquide et du débit de gaz. L étude expérimentale du coefficient volumétrique de transfert de matière côté gaz k G a fait l objet de la partie D. Ce coefficient est déterminé à l aide d une réaction instantanée de surface qui est l absorption du dioxyde de soufre dans une solution de soude. L influence du débit de liquide et du débit de gaz sur les coefficients k G a et k G est également étudiée. Dans les parties B, C et D, les paramètres de transfert de la colonne à gouttes transportées ont été comparés à ceux des contacteurs gaz-liquide et plus particulièrement aux colonnes à pulvérisation qui sont les procédés les plus utilisées dans le traitement des fumées. Le quatrième chapitre est consacré à l application de la colonne à gouttes transportées pour le traitement des effluents gazeux acides. Lors de cette étude, nous avons mis en évidence l efficacité de captation du chlorure d hydrogène (HCl) et du dioxyde de soufre (SO 2 ) par ce nouveau procédé. Nous avons également tenté de relier les concentrations des polluants après traitement aux paramètres de transfert de matière déterminés précédemment. Le dernier chapitre est une étude comparative entre les paramètres de transfert de matière de la colonne à gouttes transportées et un pilote de traitement des fumées par voie humide et à hautes vitesses de gaz élaboré par LAB.SA. Dans un premier temps, l aire interfaciale et les coefficients de transfert de matière k L a et k L de ce procédé TFGV (Traitement des Fumées à Grande Vitesse de gaz) ont été déterminés puis comparés à ceux de notre dispositif. Par la suite nous avons comparé les performances de ces deux procédés à ceux des laveurs de fumées souvent employés dans l industrie. Enfin, la conclusion générale récapitule les résultats essentiels de cette étude en insistant sur les points forts de ce nouveau procédé de traitement des effluents gazeux. Des idées de poursuite de la recherche dans ce domaine sont également proposées. Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 16

21 Chapitre 1 Présentation de la colonne à gouttes transportées KIES Fairouz K. Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

22 Chapitre 1 : Présentation de la colonne à gouttes transportées décembre Présentation de la colonne à gouttes transportées 1.1 Principe de fonctionnement La colonne à gouttes transportées est un contacteur gaz-liquide à co-courant. Son principe de repose sur celui des colonnes à bulles, c'est-à-dire la circulation d une phase gaz contenant un polluant dans une phase liquide, mais à des vitesses de gaz beaucoup plus élevées. Lorsqu on fait circuler un gaz dans un liquide, selon les vitesses du gaz, quatre configurations de l écoulement peuvent être observées, Botton et coll. (1980) et (1997). Le premier type d écoulement correspond à celui de la colonne à bulles de gaz dans un liquide pour des vitesses de gaz U G inférieures à 0,1 m/s. Quand la vitesse du gaz augmente, un écoulement de plus en plus turbulent est observé, avec l apparition de grosses bulles qui se mélangent aux petites bulles. Pour des vitesses de gaz supérieures à 1,35 m/s, on passe progressivement d une dispersion d un gaz dans un liquide à une dispersion d un liquide dans un gaz. Quand on atteint une vitesse de gaz de l ordre de 5,5 m/s, on est dans le domaine de la colonne à gouttes transportées, comme le montre la figure ci-dessous : h h h h CL C L C L C L Bulles dispersées U G < 0,1 m/s Ecoulement turbulent 0,2 < U G < 1,35 m/s Gouttes transportées 5,5 < U G < 13,5 m/s où C L est la concentration en liquide et h la hauteur de la colonne. Transport pneumatique U G > 13,5 m/s Figure 1-1 : Les différents régimes d écoulement dans une colonne gaz-liquide. Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 17

23 Chapitre 1 : Présentation de la colonne à gouttes transportées décembre 2002 La figure 1-1 montre qu il est possible de subdiviser la colonne en trois zones de bas en haut comme suit : (1) zone d émulsion où la teneur en liquide est importante et en même temps constante ; (2) zone de vésiculage où la teneur en liquide diminue avec la hauteur de la colonne ; (3) zone d entraînement où la teneur en liquide est à nouveau constante mais elle est beaucoup plus faible que dans la zone d émulsion. Enfin pour des vitesses de gaz supérieures à 13,5 m/s, on obtient un transport pneumatique des gouttes. Dans le domaine de la colonne à gouttes transportées, la formation de gouttes dispersées dans le gaz augmente la surface d échange entre les deux fluides ce qui améliore le transfert de matière entre le gaz et le liquide. Ce procédé pourra donc être adapté au traitement des effluents gazeux acides contenus dans les fumées d incinération. Cependant, il sera nécessaire de prévoir un traitement des rejets liquides comme pour tous les autres procédés de traitement par voie humide. 1.2 Présentation de l installation pilote La colonne à gouttes transportées a été conçue pour le traitement des effluents gazeux issus d usines d incinération et doit de ce fait résister à des composés corrosifs comme le chlorure d hydrogène et le dioxyde de soufre. La colonne a été réalisée donc en polychlorure de vinyle (PVC), matériau peu onéreux et résistant aux attaques chimiques. De plus, ce PVC a l avantage d être transparent, ce qui permet de visualiser les écoulements des fluides à l intérieur de la colonne. La partie utile de la colonne mesure 3m de haut, son diamètre est de 150 mm. Elle est constituée de plusieurs viroles reliées par des brides ce qui facilite le montage et le démontage de la colonne lorsqu il faut changer, ajouter ou supprimer un élément. La colonne ainsi conçue présente un certain nombre d avantages par rapport aux autres procédés de traitement des effluents gazeux. Cette colonne est en effet de technologie simple, nécessitant un faible investissement et permettant le traitement de grands débits de gaz. De plus les vitesses employées dans ce dispositif (jusqu à 13 m/s) ne peuvent être employées dans d autres contacteurs gaz-liquide à cause des risques d engorgement La colonne à gouttes transportées Le schéma de la colonne à gouttes transportées est présenté sur la figure 1-2 suivante : Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 18

24 Chapitre 1 : Présentation de la colonne à gouttes transportées décembre 2002 GAZ TRAITE Séparateur gaz-liquide ph-régulateur - régulateur Dévésiculeur NaOH Pompe Trop plein pot de Bac de reprise Eau de ville 0,15 m H = 3 m Prises de pression Diaphragmes Circuit d'eau Circuit de gaz Rotamètre Distributeur de liquide Plaque perforée Air + gaz acides Bac de vidange Figure 1-2 : Schéma de la colonne à gouttes transportées. Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 19

25 Chapitre 1 : Présentation de la colonne à gouttes transportées décembre Le circuit air L air est envoyé dans la colonne par un ventilateur centrifuge situé au sous-sol. Le ventilateur peut fournir un débit de 1200 m 3 /h. Ce débit peut être réglé à deux niveaux : au sous-sol, une trappe permet de détourner une partie du flux d air ; au niveau de l installation, une vanne permet un réglage plus fin du débit d air et une sonde Annubar en Inox mesure la vitesse de l air. L air, issu du ventilateur, arrive par le bas de la colonne et est introduit de manière homogène grâce à un distributeur de gaz constitué d une plaque perforée. Les vitesses de l air ont été choisies de manière à se rapprocher le plus possible des valeurs susceptibles d être rencontrées dans l industrie. Au niveau industriel, les vitesses mesurées dans les gaines, collecteurs et cheminées sont généralement comprises entre 8 et 12 m/s pour des circulations naturelles et entre 10 et 20 m/s pour des circulations forcées. En pratique l installation nous fixe deux limites : une limite supérieure fixée par le ventilateur et déterminée par sa puissance et la perte de charge maximale qu il tolère. Cette vitesse maximale est de 13 m/s. une limite inférieure en dessous de laquelle le débit gazeux n est plus suffisant pour entraîner le liquide : la colonne s étouffe et on ne se trouve plus dans le domaine des gouttes transportées. Les essais réalisés indiquent que cette vitesse minimale est de 8 m/s. La vitesse de l air peut donc prendre des valeurs comprises entre 8 et 13 m/s. Ce domaine de vitesses est effectivement proche du cas industriel. Après passage dans la colonne et le séparateur gaz-liquide, l air épuré est remis à l atmosphère Le circuit eau Si l air est en circuit ouvert, l eau peut fonctionner soit en circuit ouvert soit en circuit fermé. Cette eau provient d un bac de reprise d environ 60 litres partiellement rempli avant la mise en route de l installation. Pour un fonctionnement en circuit ouvert, un robinet flotteur, relié à l arrivée d eau, a été installé dans le bac de reprise pour réguler son volume en eau. La canalisation issue du bac se partage en trois branches ; sur chacune d entre elles se trouve une vanne d ouverture où l on peut installer des diaphragmes de diamètres différents (4, 6, 8, 10 et 14 mm) permettant de régler le débit d eau qui arrive dans le bas de la colonne. Ce débit est mesuré à l aide d un rotamètre installé sur la conduite d eau en amont de la colonne. Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 20

26 Chapitre 1 : Présentation de la colonne à gouttes transportées décembre 2002 La hauteur entre le bac de reprise et les diaphragmes définit la charge à laquelle les débits sont assujettis. Il est alors important d avoir toujours la même hauteur d eau dans le bac pour obtenir une charge constante sur les diaphragmes. Après passage dans les diaphragmes, l eau est pulvérisée dans la colonne de manière homogène grâce à un distributeur de liquide en forme de croix comprenant 8 trous équidistants répartis sur chacune de ses branches. La pulvérisation du liquide se fait au même niveau que l injection de l air. Après séparation gaz-liquide en tête de colonne, si le circuit d eau est fermé on récupère la totalité du liquide dans le bac et si le circuit est ouvert on n en récupère qu une partie. Un bac de vidange est également prévu afin d évacuer les eaux de rinçage des parois internes de la colonne après utilisation. Pour fonctionner dans le domaine des gouttes transportées, le débit d eau doit prendre des valeurs comprises entre 0,4 et 1,5 m 3 /h, Botton et coll. (1980). Toutefois, une limite supérieure d ordre économique peut être fixée de façon à minimiser les pertes de charge totales au niveau de la colonne. Il est donc nécessaire d utiliser un débit liquide optimum qui serait suffisant pour garantir une bonne absorption des polluants et en même temps pas trop élevé afin de ne pas engendrer des dépenses excessives d énergie Le séparateur gaz-liquide En tête de colonne, la séparation gaz-liquide se fait en deux étapes ; le mélange de gaz et de liquide traverse le dévésiculeur puis le séparateur PROCEDAIR comme l indique la figure 1-3. Le dévésiculeur, en PVC transparent, est constitué de deux parties distinctes : une partie externe composée d une virole d un diamètre égal à 300 mm. une partie interne constituée d une virole de diamètre D = 150 mm munie de 8 fentes latérales équidistantes. Ce dévésiculeur permet de séparer les gouttes liquides du gaz par simple changement de direction. En effet, il bloque le chemin direct du gaz et le laisse circuler uniquement par les fentes. Les gouttes liquide sont alors entraînées, frappent la paroi externe du dévésiculeur et tombent dans le circuit liquide du bac de reprise. Pour séparer les dernières gouttes du flux gazeux, un deuxième séparateur gaz-liquide, en PVC transparent, a été installé au-dessus du dévésiculeur. Ce séparateur est constitué d une partie supérieure cylindrique pleine, de diamètre égal à 100 mm, et d une partie inférieure tronconique. Autour du cylindre sont disposées à équidistance 8 ailettes. L ensemble est soudé sur un anneau conique fixé sur la paroi interne de la colonne. Les gouttelettes fines qui s échappent du dévésiculeur vont être entraînées par le gaz vers ce second séparateur. Une partie de ces gouttelettes va heurter la paroi inférieure de l anneau Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 21

27 Chapitre 1 : Présentation de la colonne à gouttes transportées décembre 2002 conique et revient dans le circuit du bac de reprise tandis que l autre partie va être déviée par les ailettes pour ensuite heurter la paroi interne de la virole où elles vont s écouler tout le long jusqu à atteindre l évacuation de l eau vers le bac. Le gaz épuré, débarrassé du liquide, est ensuite remis à l atmosphère. Sortie de l air traité L' D '' 1.A f D ' a e b d Retour de l'eau vers le bac de reprise D = 150 mm D = 100 mm D = 300 mm D = 134 mm L = 1410 mm L = 90 mm a = 15 mm b = 225 mm c = 300 mm d = 38 mm e = 120 mm f = 185 mm D 1.A.2. Retour de l'eau vers le bac de reprise Figure 1-3 : Schéma du séparateur gaz-liquide. La hauteur totale du séparateur gaz-liquide de la colonne à gouttes transportées est de 1500 mm. Un convergent a été rajouté après ce séparateur afin de réduire les turbulences au niveau du changement de section. Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 22

28 Chapitre 1 : Présentation de la colonne à gouttes transportées décembre L injection des polluants gazeux acides L injection des polluants se fait sur la canalisation d air en amont de la colonne. Cette injection se fait par l intermédiaire d un tube taillé en biseau pénétrant jusqu au centre de la canalisation d air et la présence de deux coudes avant la colonne font que le mélange des gaz est suffisamment assuré par les turbulences. Les polluants utilisés sont stockés dans des bouteilles sous pression Le dispositif de mesure des pressions Neuf prises de pression sont situées le long de la colonne tous les 330 mm environ et sont reliées à un tableau de lecture. Deux prises de pression supplémentaires sont placées ; une première sous la plaque de distribution du gaz (notée 1) et une seconde placée en sortie du séparateur gaz-liquide (notée 11). Chaque prise de pression est constituée d un té en verre, introduit perpendiculairement à une distance suffisante de la paroi pour éviter que le film d eau ruisselant sur la paroi, ne vienne perturber les mesures. La figure suivante donne un schéma du type de prise de pression employée : Paroi de la colonne Vers le tableau de mesure Surpression de référence Capillaire Torion Figure 1-4 : Schéma d une prise de pression. Une surpression est appliquée à l ensemble des prises pour empêcher l eau de la colonne de perturber les mesures. Cette surpression dite pression de référence, maintenue dans une bouteille fermée en verre et remplie d eau, est prise en bas de la colonne sous la plaque de Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 23

29 Chapitre 1 : Présentation de la colonne à gouttes transportées décembre 2002 distribution du gaz. Cette pression peut être augmentée légèrement avec de l air comprimé car la plaque de distribution utilisée occasionne peu de pertes de charge. Chaque prise de pression est reliée à un tube en verre fixé sur une réglette, l ensemble constitue le tableau de mesure (figure 1-5). Remise du gaz à l atmosphère 11 Séparateur gaz-liquide Colonne 6 5 Atmosphère Air comprimé Référence Préf Gaz Prise de pression Figure 1-5 : Liaison des prises de pression. Au repos, tous les tubes en verre auront le même niveau d eau car ils sont reliés à une bouteille remplie d eau et soumise à une pression de référence. Lorsque la colonne est mise en fonctionnement, le niveau d eau dans les tubes change. Il sera donc possible de déterminer la pression locale et les pertes de charge totales par une simple lecture de la différence de niveau d eau dans ces tubes. Traitement des effluents gazeux sous hautes vitesses de gaz Page 24

30 Chapitre 2 Etude hydrodynamique KIES Fairouz K. Thèse en Sciences et Techniques du Déchet / 2002 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Ecole Doctorale de Chimie de Lyon (Chimie, Procédés, Environnement)

31 Chapitre 2 : Etude hydrodynamique décembre Etude hydrodynamique 2.1 Introduction Nous entendons par étude hydrodynamique d un réacteur gaz-liquide, l étude des pertes de charge, des rétentions, de la consommation énergétique et de la caractérisation des écoulements gaz et liquide dans ce réacteur. Une des grandes difficultés dans la conception des réacteurs chimiques réside dans la grande variété des géométries, qui résulte d une hydrodynamique complexe. Les performances d un réacteur biphasique dépendent fortement du comportement hydrodynamique des fluides. La connaissance de l écoulement à l intérieur du réacteur est indispensable pour prévoir ses performances. Lors de cette étude, nous nous intéressons à la détermination expérimentale des paramètres de transfert de matière dans une colonne à gouttes transportées et de ses performances pour l absorption des polluants atmosphériques gazeux. Dans ce chapitre, nous allons caractériser le comportement hydrodynamique d un réacteur gaz-liquide fonctionnant à co-courant. Dans un premier temps, nous allons évaluer les pertes de charge, mesurer la rétention liquide et la puissance consommée au niveau du module, puis nous allons présenter l aspect théorique de la Distribution des Temps de Séjour (DTS) et nous identifierons l écoulement de la phase liquide dans la colonne à gouttes transportées. 2.2 Détermination des pertes de charge de l installation Les pertes de charge au niveau de la colonne à gouttes transportées sont dues à la présence du gaz et du liquide en circulation auxquelles il faut ajouter celles nécessaires pour accélérer le liquide, le disperser dans la colonne, puis le séparer du gaz Détermination du profil des pressions Les profils de pression dans la colonne à gouttes transportées ont été établi à l aide des prises de pression installées le long de ce contacteur gaz-liquide, ce qui permet de visualiser les pertes de charge engendrées par la plaque de distribution des gaz, la colonne PVC et le séparateur gaz-liquide. Le profil de pression pour le point de fonctionnement L = 1,2 m 3 /h et G = 700 m 3 /h est illustré par la figure 2-1 qui nous permet de remarquer que le séparateur gaz-liquide entraîne une perte de charge non négligeable, en comparaison avec celles occasionnées par l ensemble plaque et colonne. Page 25