Effet des caractéristiques physiques des matériaux sur l'hydrodynamique et le transfert de matière des lits fixes fonctionnant à co-courant ascendant de gaz et de liquide

摘要

L’objectif de ce travail était de mettre en évidence et d’interpréter l’effet des caractéristiques physiques des matériaux utilisés comme garnissage sur l’évolution de l’hydrodynamique et le transfert de matière gaz – liquide des lits fixes fonctionnant à co-courant ascendant de gaz et de liquide. Pour la réalisation de ce travail, une colonne en PVC de 0,15 m de diamètre et 4,5 m de hauteur et une cellule de visualisation ont été utilisées. Sept matériaux de types différents ont été étudiés, ayant diverses caractéristiques physiques (diamètre de particule, masse volumique, porosité, forme). Les vitesses superficielles de gaz et de liquide ont varié entre 2,9E-3 2,8E-2 Nm/s et 1,2E-3 3,3E-3 m/s respectivement. Pour chaque matériau, l’influence des vitesses superficielles de gaz et de liquide sur l’hydrodynamique a été testée. Les rétentions de gaz globales et pseudo-statiques ont été déterminées à partir d’une méthode originale de suivi de débit liquide en sortie de colonne. Les diamètres de bulles, les vitesses de glissement et les DTS des phases gaz et liquide ont été obtenues pour chaque matériau. Des outils expérimentaux d’acquisition d’images ont été utilisés afin de mettre en évidence l’impact du matériau sur la taille et la forme des bulles d’air présentes dans le lit fixe. Deux méthodes ont été utilisées pour accéder au coefficient volumétrique de transfert de matière. Chaque paramètre caractérisant l’hydrodynamique et le transfert de masse a été discuté en fonction des caractéristiques du matériau. Une interprétation physique des résultats a été systématiquement proposée. Un modèle de calcul de découplant l’effet des matériaux sur l’aire interfaciale d’échange gaz/liquide et sur les coefficients de transfert côté liquide a été proposé. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- In order to better understand which parameters control the mass transfer efficiencies in biofilters, hydrodynamic and mass transfer parameters have been investigated for seven different packing in a three phase fixed bed reactor operating in co-current gas-liquid up flow. For this purpose, the packing characteristics (bed porosity, particle size, and particle shape) and hydrodynamics parameters have been determined. For each type of solid, volumetric oxygen mass transfer coefficient have been measured in different operating conditions of gas (air) and liquid (tap water). The experiments were performed on a cylindrical PVC column. The column of 0.15 m in diameter and 4 m height was filled with packing. Air was injected at the bottom of the column using a porous disc diffuser. The superficial gas velocity ranged from 2.3E-3 Nm/s to 2.5E-2 Nm/s, the superficial liquid velocity varied from 1.2E-3 m/s to 3.3E-3 m/s. The following parameters have been determined: Pressure drop through the bed height was measured using differential manometers; the average values of the global gas hold-up and static gas fraction were determined in the experimental set up by a new technique which is based on a monitoring of liquid flow; the bubble sizes and slip velocities were determined by image acquisition and treatment systems on a particular glass cell; the volumetric oxygen mass transfer coefficient is determined by gas and liquid mass balance techniques; these different techniques applied on the fixed bed bubble column permit for each type of solid, to describe a complete characterization of hydrodynamic and mass transfer. This experimental tool is used to compare and evaluate the influence of solid characteristics on the reactor performances and to initiate a mass transfer model