ECOULEMENTS GAZ -LIQUIDE DANS DES COLONNES A

ECOULEMENTS
GAZ-LIQUIDE DANS DES COLONNES A GARNISSAGES
STRUCTURES
Manel Fourati
Ce travail de thèse rentre dans le cadre de développement de modèles multiéchelles de simulation de colonne d’absorption gaz-liquide pour des applications
de captage de CO2 en vue d’optimiser leur design. Il est le fruit d’une
collaboration entre IFPEN et l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.
Les colonnes à garnissages représentent une technologie potentiellement
intéressante pour les applications d’absorption gaz-liquide. Pour des applications
de captage de CO2 aux amines, le liquide s’écoule sur les parois du garnissage
idéalement sous forme de film ruisselant qui mouille toute la surface disponible
et un gaz turbulent vient le cisailler à contre-courant de manière à promouvoir un
transfert de CO2 de la phase gaz à la phase liquide. Un écoulement le plus
homogène possible permet d’avoir les meilleures performances de transfert.
Toutefois, l’expérience montre que des maldistributions, notamment de la phase
liquide, peuvent apparaître même en cas de bonnes distributions en entrée de
colonne. La distribution du liquide est régie par un phénomène de « dispersion »
dont la quantification représente le principal objet de cette thèse. Pour ce faire,
nous avons procédé dans ce travail de thèse à deux approches de caractérisation
originale de la dispersion de liquide dans des garnissages : une approche
expérimentale et une approche numérique.
Le premier axe de l’étude abordé a été l’acquisition de données originales de
distribution de liquide en partant d’une configuration d’alimentation sous forme
d’un jet central en tête de colonne et ce pour deux types de garnissages : un
garnissage structuré de type Mellapak 250.X et un garnissage vrac de type
IMTP-40. La méthode de tomographie Gamma a été mise en œuvre afin de
mesurer l’atténuation d’un flux photonique par le liquide en mouvement dans la
colonne ce qui permet par une méthode de reconstruction d’établir des profils de
rétention locale de liquide sur une section de colonne. Les cartes de rétention
obtenues ont été ensuite exploitées afin de caractériser la dispersion de liquide
dans le système pour des régimes d’écoulement allant des plus faibles aux plus
fortes interactions gaz-liquide. Nous avons ainsi réussi à prédire l’étalement du
jet de liquide via un modèle simple d’advection-diffusion faisant appel à un
paramètre hydrodynamique clé qui est le « coefficient de dispersion ». Dans le
cas du garnissage Mellapak 250.X nous avons pu mettre en évidence une
dispersion qui est régie essentiellement par la géométrie du milieu. Le cas du
garnissage IMTP-40 montre, lui, que la dispersion s’opère par des mécanismes
plus complexes dus à la coexistence de plusieurs modes d’écoulement incluant
des filets de liquide et des gouttes.
Le deuxième axe de l’étude a consisté à proposer un modèle de simulation
numérique de l’écoulement gaz-liquide à contre-courant dans le système. Un
modèle Euler-Euler offrant la possibilité de modéliser le système à une macroéchelle a été retenu et associé à une description du garnissage par un milieu
poreux équivalent. Les bases théoriques du modèle en question ont été
investiguées et discutées et les différents termes à modéliser –ou fermer- mis en
évidence. Nous avons par la suite, sur la base de travaux antérieurs, identifié et
discuté les principales propositions de lois –ou modèles- de fermeture du système
d’équation de Navier-stokes dans chacune des phases pour le cas particulier du
garnissage structuré Mellapak 250.X. Des simulations ont été effectuées sur la
base de ce modèle en utilisant le code Fluent. Des résultats en bon accord avec
l’expérience sont obtenus tant en termes d’ordre de grandeur de la perte de
charge que de celui des rétentions locales. Les écarts en termes d’étalement du
jet de liquide nous ont permis, pour leur part, de discuter le modèle de dispersion
adopté, d’en dégager les limites et de proposer des alternatives de modélisation
à mettre en œuvre pour les travaux postérieurs. Enfin, et de manière
indépendante, nous avons proposé une extension du modèle de frottement
interfacial proposé par Iliuta et al. (2004) pour des régimes de fortes interactions
entre phases.