de matiere dans un contacteur gaz-liquide a film centrifuge dans le cadre de procedes de ...

258 Pages·2014·17.15 MB·French

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
E.N.S.LC. - NANCY
THESE
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Présentée à l'I.N.P.L.
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pour l'obtention du diplôme de
DOCTEUR DE L'I.N.P .. L.
par
Olivier CHERY
Sujet:
ETUDE HYDRODYNAMIQUE ET DE
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MATIERE DANS UN CONTACTEUR GAZ-LIQUIDE
A FILM CENTRIFUGE DANS LE CADRE DE
PROCEDES DE TRAITEMENT D'EFFLUENTS
GAZEUX CONTENANT DU DIOXYI)E DE SOUFRE
ET/OU DES OXYDES
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Soutenue publiquement le 20 Décembre 1994 devant la Commission d'Examen
Membres du Jury :
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE nE LORRAINE
E.N.S.I.C. - NANCY
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Présentée à l'l.N.P.L.
pour l'obtention du diplôme de
DOCTEUR DE L'I.N.P,.L.
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par . Nancy-Brabois
Olivier CHERY
Sujet:
' ETUDE HYDRODYNAMIQUE ET TRANSFERT DE
MATIERE DANS UN GAZ-LIQUIDE
CONTACTEUR~
A FILM CENTRIFUGE DANS LE CADRE DE
PROCEDES DE TRAITEMENT D'EFFLUENTS
GAZEUX CONTENANT DU DIOXYI)E DE SOUFRE
ET/OU DES OXYDES
D'A~lOTE
Soutenue publiquement le 20 Décembre 1994 devant la Commission d'Examen
Membres du Jury :
JURY: Rapporteurs A. BERNIS
D.VANHOVE
Membres P.J. DYENS
F.LAPICQUE
N.MIDOUX
C.ROIZARD
RESUME
Dans le cadre d'un programme B.R.I.T.E. de la C.C.E., nous étudions un procédé
de traitement d'effluents gazeux contenant S02 et/ou NOx, en teneur moyenne (0,01 à 0,2%
en moles), par absorption gaz-liquide suivie de l'oxydation de ces espèces.
Le contacteur choisi est un réacteur à film centrifuge en raison de ses bonnes
capacités de transfert de matière, phénomène limitant lorsqu'on veut réaliser une absorption
gaz-liquide suivie de réactions chimiques très rapides voire instantanées.
Ce travail comprend deux parties distinctes:
- une contribution à la connaissance du réacteur à film centrifuge au niveau de
son hydrodynamique à faible débit, du transfert de matière et de son
utilisation en tant qu'absorbeur.
- une étude de la cinétique d'absorption du S02 par une solution aqueuse
acide de cérium (IV) dans un réacteur à film tombant laminaire.
Ce réacteur à film centrifuge est constitué d'un cylindre (12xl0-2 m de diamètre et
14,9xl0-2 m de hauteur) et d'un rotor muni de 24 pales régulièrement distribuées sur la
périphérie. L'action centrifuge induit par la rotation de ce dernier provoque la formation d'un
film de liquide à la paroi. L'arrivée et la sortie du liquide sont assurées par deux fentes
verticales et diamétralement opposées, alors que celles du gaz sont effectuées par deux tubes
coaxiaux, centrés et perpendiculaires à la face inférieure du réacteur. Un dispositif statique
assure le mélange de la phase gazeuse. Une surpression exercée en sortie du réacteur côté
liquide permet d'assurer la bonne formation du film et d'en régler l'épaisseur, du bord
externe des pales du rotor (pales affleurant le film) à leur bord interne (pales noyées). Le
contact gaz-liquide a ainsi lieu sur la face intérieure du mm liquide.
L'étude hydrodynamique a mis en évidence l'existence de 3 régimes distincts :
- le régime homogène où le mm liquide est mince et riche en fines bulles de
gaz.
- le régime transitoire hétérogène où le film est plus épais et où des bulles de
gaz sont présentes.
- le régime de mm épais, exempt de bulles de gaz.
Deux paramètres opératoires jouent un rôle primordial dans l'obtention de ces
régimes: la vitesse de rotation N du rotor (25 à 50 s-l) et la contre-pression ~P (0 à 10000
Pa) qui représente une hauteur de surpression en sortie du réacteur corrigée des pertes de
charge dans les circuits de gaz et de liquide.
Une méthode classique de DTS (traçage au KCI lM) a permis de confirmer la
conclusion de Mokrani (1991) concernant l'indépendance du volume de liquide vis à vis du
débit. D'autre part, l'étude de la dispersion, par l'intermédiaire du nombre de Péclet, nous a
permis de confirmer que, dans le cas de films liquides épais ou hétérogènes, le réacteur à
fIlm centrifuge se comporte comme un réacteur parfaitement agité, alors que dans le cas de
films minces, il se rapproche du fonctionnement d'un réacteur piston.
Nous avons ensuite déterminé les caractéristiques de transfert de matière du réacteur à
fIlm centrifuge; elles ont été évaluées par les coefficients volumiques kLA et koA ainsi que
par l'aire interfaciale A. Les techniques suivantes ont été utilisées:
- kGA a été obtenu en réalisant l'absorption suivie d'une réaction instantanée
de surface de SÛ2 dilué dans l'azote dans une solution de soude.
-kLA a été déterminé par 4 méthodes différentes :
*
absorption physique de S02 dilué dans une solution d'acide
sulfurique,
*
absorption physique de l'oxygène de l'air dans l'eau,
*
absorption suivie d'une réaction chimique lente de C02 dilué dans
une solution de carbonates, bicarbonates et d'hypochlorite de sodium,
*
absorption suivie d'une réaction chimique lente de l'oxygène de l'air
dans une solution d'hydrazine.
Les résultats de Mokrani (1991), concernant l'absorption suivie d'une réaction
chimique intermédiaire de l'oxygène de l'air dans une solution de sulfites de sodium, seront
également rappelés: cette méthode (droite de Danck:werts) a permis de déterminer A ainsi
quekLA.
Les valeurs de ces paramètres vruient de 1 à 3,7xlO-4 m3.s-1 pour kGA, de 5,2xlO-7 à
1,9x10-4 m3.s-1 pour kLA et de 200 à 1200x10-4 m2; elles sont fonction de la vitesse de
rotation du rotor N, de la contre-pression ~P et des propriétés coalescentes des solutions
liquides utilisées. Les coefficients de transfert de matière et l'aire interfaciale prennent ainsi
des valeurs élevées lorsque le film liquide est mince, puis on observe une décroissance de
ces valeurs plus ou moins rapide suivant le type de solution employée; enfm, les valeurs se
stabilisent pour les contre-pressions les plus grandes.
Les résultats obtenus pour kL et A 'sont excellents par rapport à ceux d'autres
réacteurs de laboratoire (réacteur parfaitement agité ou réacteur à film tombant cylindrique);
en ce qui concerne les réacteurs industriels, le réacteur à film centrifuge possède des
performances proches de celles d'un éjecteur venturi; d'ailleurs, comme dans ce type de
réacteur, c'est le volume de liquide et non pas le volume de réacteur qui a un rôle
prépondérant dans le transfert de matière.
La dernière phase de l'étude du réacteur à film centrifuge a consisté à mettre en
oeuvre, dans ce contacteur gaz-liquide, l'absorption d'un mélange dilué de NO et de N02
(800 ppmv en général avec un débit de gaz de l'ordre de 10-4 m3.s-l) dans une solution
aqueuse d'urée (le débit de liquide varie de 0,5 à 6xlO-6 m3.s-I). Il semble que le temps de
séjour du liquide dans le réacteur soit inférieur au temps réactionnel moyen nécessaire à
l'élimination de HNÛ2 formé lors de l'absorption des polluants dans la solution d'urée.
Quelques observations ont cependant été effectuées : le rendement d'élimination des
polluants semble indépendant du débit de liquide et apparaît comme étant proportionnel à la
concentration initiale en polluant; il semble également décroître avec l'augmentation de la
quantité de NO dans le mélange (NO + NÛ2) à l'entrée du réacteur. Enfin, l'élimination de
NO semble plus efficace lorsqu'il se trouve en présence de N02 alors que c'est l'inverse
pour le dioxyde d'azote.
La seconde partie de ce travail est consacrée à la détermination de la cinétique
d'absorption du dioxyde de soufre dans une solution aqueuse acide de cérium (IV). Cette
étude, initialement prévue dans le réacteur à film centrifuge, a été effectuée dans un réacteur à
film tombant laminaire cylindrique; des essais préliminaires ont, en effet, montré le début
d'une attaque des éléments métalliques du réacteur à film centrifuge par la solution très
oxydante de cérium. Dans le réacteur à film tombant, le film liquide s'écoule sur la paroi
extérieure d'un cylindre en verre de 5x10-2 m de diamètre, à un débit de 2,lxlO-6 m3.s-l,
pendant que la phase gazeuse passe, à contre-courant, à un débit de 2,5xlO-4 m3.s-l, dans
l'espace annulaire compris entre le cylindre précédent et un tube en verre d'un diamètre de
15xlO-2 m.
La plupart des caractéristiques de ce réacteur ont été détenninées grâce à la littérature,
ce type de contacteur étant bien connu. Mais nous avons réalisé l'absorption de S02 dans
une solution d'acide sulfurique (O,5M) pour déterminer la valeur de kGA. Il semble que
quelques hypothèses faites pour cette étude ne sont pas vérifiées: la phase gazeuse n'est pas
parfaitement agitée et la résistance au transfert dans cette phase n'est pas négligeable. De
plus, nous avons considéré que la réaction suivant l'absorption du S02 dans la solution de
cérium était du pseudo m-ième ordre; or, d'après les bilans de matière, le logarithme du flux
d'absorption n'est pas proportionnel au logarithme de la pression partielle de S02 en sortie
du réacteur. Nous sommes donc dans l'incapacité de détenniner les paramètres cinétiques de
cette réaction.
En conclusion, nous pouvons noter les bonnes perfonnances de transfert de matière
du réacteur à fIlm centrifuge par rapport à d'autres réacteurs, tout en notant l'importance des
propriétés coalescentes des solutions utilisées, dans l'amélioration des résultats. Un
approfondissement du rôle de la coalescence pourrait être entrepris en utilisant une gamme de
solutions plus importante. Le réacteur à film centrifuge pourrait très bien être envisagé pour
la mise en oeuvre de réactions photochimiques à cause de la finesse du fIlm liquide.
L'étude de la cinétique d'absorption du S02 dans une solution de cérium (IV)
réclame des investigations plus poussées notamment sur la caractérisation du réacteur à film
tombant (DTS en phase gazeuse).
INTRODUCTION
Le dioxyde de soufre (SÛ2,) et les oxydes d'azote (NOx) sont panni les plus nuisibles
des polluants atmosphériques; ils jouent un rôle très important dans l'acidification de
l'environnement. Les émissions anthropiques de ces espèces proviennent principalement de
la production énergétique, de sources appartenant au secteur des transports et de procédés
industriels (unité de fabrication d'acide sulfurique ou nitrique par exemple). Elles
contribuent, non seulement à la pollution locale et urbaine, mais aussi aux problèmes de
pollution à grande échelle à cause de leur transport à longue distance dans l'atmosphère.
Elles peuvent ainsi avoir des effets négatifs sur la santé humaine (problèmes pulmonaires) et
sur les écosystèmes (exemples: acidification des lacs et déclin des forêts) par l'intennédiaire,
par exemple, des précipitations acides.
Un exemple de l'action néfaste des NO et du S02 : les pluies
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acides (d'après Pigeon (1994)).
Les précipitations acides sont l'unes des conséquences des rejets urbains. Les masses
d'air sont, en effet, contaminées lors de leur survol urbain. L'acidité des précipitations
provient de la recomposition du dioxyde de soufre et des oxydes d'azote. La dispersion des
oxydes peut atteindre des échelles variables: Park (1991) estime la distance entre 1000 et
2000 km en 5 jours pour les dépôts humides en fonction des caractéristiques de la masse
d'air et des champs d'action lors des rejets atmosphériques. Si le pourcentage d'humidité
relative de l'air est élevé, S02 se recompose en acide sulfurique et NO en acide nitrique
(figure A). Cependant, les effets de ces précipitations acides dépendent de facteurs locaux
très variés (exemple: composition des sols et des sous-sols).
Comme le souligne Kemp (1990), 1'étude des effets des précipitations acides sur la
croissance des végétaux doit être abordée avec beaucoup de prudence. Le dépérissement se
marque par le jaunissement, la chute des feuilles, une croissance racinaire limitée, mais la
seule pollution atmosphérique ne peut en être la cause. Selon Tabeaud et Simon (1993),
jusqu'à 150 hypothèses furent envisagées pour expliquer la "mort des forêts". L'importance
des enjeux économiques et politiques explique que de nombreuses hypothèses, favorisant
une cause plutôt qu'une autre, puissent être défendues, ce d'autant plus que ces causes sont
faiblement hiérarchisées. N'oublions pas, enfin, que les précipitations acides existèrent bien
avant le développement des activités humaines, même si celles-ci ont contribuées à exagérer
leur intensité: sans précipitations acides, pas de relief karstique possible.
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