Approches lagrangienne et experimentale des écoulements gaz-liquide en cuve agitée : application à un procédé de purification de l'aluminium liquide

Experimental and lagrangian studies of gas-liquid flow in a stirred vessel applied to aluminium refining

• Auteur / Autrice : Emmanuel Waz
• Direction : Catherine Xuereb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie de procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lagrange, Équations de

Turbulence

Mécanique des fluides

Gaz -- Écoulement

Résumé

La dispersion de gaz par un agitateur implanté dans une cuve agités est étudiée expérimentalement afin de proposer la modélisation des écoulements gaz/liquide par une approche lagrangienne. Basé sur une représentation de l'agitateur sous la forme d'une "boîte noire", le modèle proposé au cours de cette étude a été validé expérimentalement sur un système eau/air à l'échelle industrielle. Localement, nous avons comparé la rétention gazeuze ainsi que la vitesse ascensionnelle des bulles. Globalement, la modélisation permet de prédire la répartition du gaz dans la cuve, la transition entre les regimes de dispersion, la rétention gazeuze et à un degré moindre la diminution de puissance due à l'introduction de gaz dans la cuve. Les résultats numériques sont similaires aux expériences pour les régimes de chargement et de dispersion complète. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué le modèle aux écoulements aluminium/argon dans le procédé Alpur dont le rôle est de purifier l'aluminium liquide, notamment en éliminant l'hydrogène dissous dans le métal liquide. La comparaison des systèmes eau/air et aluminium/argon a permis d'identifier les paramètres de transposition des fluides modèles vers les fluides industriels : le diamètre des bulles et leur forme. Des expériences par radioscopie X ont permis de mesurer la taille des bulles d'argon dans l'aluminium ainsi que leur coefficient de traînée. Une ultime étape de tests du modèle a été réalisée dans l'aluminium à partir de données locales (fréquence de bullage, trajectoire des bulles) et globales (rétention gazeuze). Par ailleurs, lanalyse des trajectoires des bulles, permet de proposer des critères hydrodynamiques clés pour l'amélioration de la connaissance de l'influence de l'agitation sur l'élimination de l'hydrogène dissous dans l'aluminium liquide

Turbulent gas-liquid flows in a stirred vessel have been investigated experimentally in order modelthe two-phase flow using a Lagrangian approach. Based on a representation of the agitator by fixing experimental flow profiles, the modelused during this study was experimentally validated with a water-air system at an industrial scale. The numérical approach correctly describes the transition between the flooding-loading and loading-complete dispersion regimes, and predicts axial gas velocity, local and overall gas holdup quite well. The numerical results are similar to those of the experiments for the loading and complete dispersion. The model was then applied to the aluminium-argon flows in the Alpur process whose role is to purify liquid aluminium and to eliminate the dissolved hydrogen in the molten metal. Comparison of the water-air and aluminium-argon systems makes it possible too identify the parameters of transposition from model fluids to industrial fluids i. E. The bubblr diameter and form. The size of the argon bubbles in aluminium and their drag coefficient are determinated using X-radioscopy experiments. In addition, key hydrodynamic criteria have been suggested with the aim to improve the understanding of the influence of mixing on the elimination of dissolved hydrogen in liquid aluminium