Transfert de matière gaz/liquide en milieux complexes

par Marupatch Jamnongwong

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Gilles Hebrard.

Le président du jury était Martine Mietton-Peuchot.

Le jury était composé de Gilles Hebrard, Anne-Marie Billet, Karine Loubière, Pisut Painmanakul.

Les rapporteurs étaient Belkacem Benadda, Annabelle Couvert.


  • Résumé

    L’opération de transfert de matière gaz/liquide est une étape essentielle en génie desprocédés. Elle conditionne directement les performances des contacteurs gaz/liquide en représentantbien souvent l’étape limitant l’efficacité du procédé. L'objectif de cette étude est de proposer denouvelles investigations afin d'étudier l'effet de la présence dans l'eau pure, de certains composésgénéralement rencontrés dans les procédés biologiques, sur les coefficients de diffusion de l'oxygèneet de quantifier leurs conséquences sur les coefficients de transfert de matière côté liquide. Lescoefficients de diffusion de l'oxygène DO2 ont été mesurés dans diverses phases liquides contenant dusel (NaCl), du sucre (glucose) ou des tensio-actifs (laurylsulfate de sodium). Comparé à l'eau pure,des réductions de coefficient de diffusion DO2 ont été observées, la variation de DO2 avec laconcentration C de composé a été modélisée, elle dépend de la nature du composé ajouté. Ensuite,des expériences réalisées sur un train de bulles et sur les mêmes phases liquides ont permis ladétermination des coefficients de transfert de matière côté liquide kL. Quelle que soit la solutionaqueuse étudiée, une diminution des valeurs de kL est observée avec l'augmentation de C. Cesrésultats mettent en évidence que, même si les propriétés de l'eau pure (densité, viscosité, tensionsuperficielle) ne sont pas significativement modifiées par l'ajout de sels (NaCl), les coefficients detransfert de matière côté liquide kL peuvent être modifiés. Pour les solutions aqueuses de glucose, laréduction de kL avec DO2 est bien corrélée, et principalement due à la variation de viscosité avec laconcentration. Pour les solutions de tensio-actif, les nombres de Reynolds restent presque constantspour toutes les concentrations. Le seul responsable de la réduction du coefficient de transfert dematière côté liquide kL est donc le coefficient de diffusion de l’oxygène qui diminue avec laconcentration. La présente étude a clairement confirmé la nécessité de compléter et/ou rendre comptedes données liées aux coefficients de diffusion de l’oxygène DO2 et aux coefficients de transfert dematière côté liquide kL dans des milieux complexes (solution électrolytique, solution organique ettensioactif). Ces informations sont nécessaires pour décrire et modéliser correctement lesphénomènes de transfert de matière gaz/liquide

  • Titre traduit

    Gas/liquid mass transfer in complex media


  • Résumé

    The gas/liquid mass transfer is an essential step in process engineering. It directly affects theperformance of gas/liquid reactor in being often limiting process efficiency. The objective of this studyis to propose new investigations in order to study (i) the effect on oxygen diffusion coefficients underthe presence in clean water of some compounds usually found in biological process and (ii) quantifytheir consequences on liquid-side mass transfer coefficients. The oxygen diffusioncoefficients DO2 were measured in various synthetic liquid phases containing either salt (NaCl), sugar(glucose) or surfactant (sodium laurylsulphate). When compared to clean water, reductionsof DO2 were observed; the variation of DO2 with the compound concentration C was modeled andfound dependent on the nature of the compound added. Then, to determine the liquid side masstransfer coefficient kL, experiments on a train of bubbles rising in a quiescent liquid phase were carriedout by the same synthetic liquid phases. For all cases, whatever the aqueous solutions, a decreaseof kL with increasing C was clearly observed. These results firstly showed that, even if the properties ofclean water (density, viscosity, surface tension) were not significantly changed by the addition of salts(NaCl), the liquid-side mass transfer coefficients could be modified. For the aqueous solutions ofglucose, the reduction of kL with DO2 was well correlated, and mainly due to the change in viscositywith concentration. For surfactants, the hydrodynamic conditions (i.e. bubble Reynolds number) beingalmost kept constant for all concentrations, only the change in DO2 was thus responsible for thedecrease of kL. The present study clearly confirmed the need to complete and/or account for thedatabase related to oxygen diffusion coefficients and liquid side mass transfer coefficient in complexmedia (electrolytic solution, organic solution and surfactant). This condition is imperatively required todescribe and to model appropriately the gas-liquid mass transfer phenomena


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