Modélisation des écoulements dans les garnissages structurés : de l'échelle du pore à l'échelle de la colonne

Modeling of flow in structured packing : from pore scale to column scale

• Auteur / Autrice : Cyprien Soulaine
• Direction : Michel Quintard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie, Hydrochimie, Sols, Environnement
• Date : Soutenance le 23/10/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Lasseux

Mots clés

Mots clés libres

Milieux poreux

Changement d'échelle

Distillation

Absorption

Diphasique

Turbulence

Multiconstituant

Porous media

Upscaling

Distillation

Absorption

Structured packing

Two-phase flow

Turbulence

Multicomponent

Résumé

Une colonne de séparation d'air réalise un écoulement liquide-gaz à contre courant dans une structure complexe, le garnissage. Au sein de ce garnissage, l'écoulement du liquide est du type film drainé par gravité, alors que l'écoulement du gaz est turbulent. La fonction de ces contacteurs est de développer une surface d'échange interfaciale aussi grande que possible pour favoriser le transfert d'un composé chimique de la phase liquide vers la phase vapeur (et inversement) tout en offrant des pertes de charge raisonnables. Ces dispositifs sont constitués par l'assemblage de plaques métalliques ondulées, avec ou sans perforations, où deux plaques adjacentes sont respectivement inclinées d'un angle et son opposé par rapport à l'axe de la colonne. Ce type de contacteur peut être considéré comme un milieu poreux bi-structuré avec un taux de porosité élevé. Les écoulements peuvent être décrits à deux échelles : une échelle du pore et une échelle macroscopique. A cause de cette double structuration, la modélisation macroscopique des écoulements dans ce type de structure reste un problème difficile. En particulier, les mécanismes macroscopiques qui entraînent l'étalement d'un jet dans les garnissages sont incompris. Par ailleurs, une difficulté de modélisation supplémentaire est due aux effets liés à la turbulence. Au cours de cette thèse, nous avons développé, à partir d'une méthode de changement d'échelle, un modèle complet pour simuler les écoulements et le transfert de matière dans les colonnes équipées de garnissages structurés. Notre étude se focalise sur les trois points suivants. Premièrement, nous avons obtenu, à l'aide d'une prise de moyenne volumique, une loi de Darcy-Forchheimer qui inclue les effets de la turbulence. Ensuite, pour modéliser la dispersion radiale du liquide dans la colonne, nous avons trouvé pratique de séparer la phase liquide en deux films distincts, qui s'écoulent sur chaque plaque ondulée selon des directions préférentielles différentes. Ces phases fictives ne sont pas indépendantes puisque de la matière peut passer de l'une à l'autre au niveau des points de contact entre les feuilles ondulées. Finalement, nous avons proposé un modèle macroscopique pour simuler le transport d'espèces chimiques dans un système diphasique, multiconstituants. Tous les paramètres effectifs qui apparaissent dans ce modèle sont évalués à partir de solutions analytiques ou numériques de l'écoulement à la petite échelle. Les résultats de simulation ont été comparés avec succès à des mesures expérimentales obtenues en laboratoire ou sur pilote industriel.

Structured packings play a large role in chemical engineering processes involving gasliquid separation such as air distillation unit or CO2 absorption columns. Such structures maximize the exchange surface between gas and liquid while pressure drops remain low enough. Generally, the columns are operated in the counter-current flow mode : a liquid gravity film is sheared by the turbulent flow of a gas phase. The packings are made of an assembly of corrugated sheets where two adjacent sheets are respectively inclined by an angle and the opposite of this angle from the vertical axis. We can apprehend such a device as a bi-structured porous medium with high porosity defining two scales of description : a pore-scale and a macro-scale assimilated to the packing scale. Due to this peculiar structured geometry, the flow modeling from a macroscopic point of view, remains a challenging problem that has to be overcome to design enhanced devices. In particular, the macroscopic phenomena that leads to the spreading of a liquid point source at the top of a packing are still unknown, and the classical two-phase flow models in porous media failed to properly catch the liquid distribution within the column. Moreover, turbulence effects lead to additional difficulties. We developed a comprehensive mathematical model based on a multi-scale analysis to simulate gas-liquid flow through the distillation columns. We investigate three main points. First, we derived a Darcy-Forchheimer law that includes turbulence effects using the method of volume averaging. Then, to model the liquid spreading, we found convenient to split the liquid phase into two fictitious phases flowing along each sheet with a preferential direction. Moreover, these phases are not (except perhaps at very low saturation) completely independent since adjacent sheets are in contact and the liquid can flow from one sheet to the other. Finally, we proposed a macro-scale dispersion model to simulate two-phase, multicomponent transport in structured packing. All the effective properties that appear in this model are evaluated from either simulations or analytical solutions of the flow at the pore-scale. Simulation results have been successfully compared to laboratory-scale experiments and industrial-scale measurements.