Impact des propriétés physico-chimiques sur l'hydrodynamique et le transfert de matière des films ruisselants sur des surfaces corruguées

Impact of physico-chemical properties on the hydrodynamic and mass transfer of falling liquid films flow over corrugated surfaces

• Auteur / Autrice : Mohamad Al Sayegh
• Direction : Michel Meyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Karine Loubière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Meyer, Karine Loubière, Olivier Potier, Hervé Duval, Dominique Toye, Christine Dalmazzone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Potier, Hervé Duval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Hydrodynamique

Transfert de masse

Mots clés libres

Film mince liquide

Propriétés physico-chimiques

Capture du CO2

Transfert de matière

Garnissage structuré

Thin liquid film

Physico-chemical properties

CO2 capture

Mass transfer

Structured packing

Résumé

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre des recherches qui visent à étudier les variations locales de l’hydrodynamique et du transfert de matière des écoulements en film mince, sur des surfaces complexes proches de celles des colonnes à garnissage structuré utilisées pour le captage du CO2. Dans ces colonnes, le gaz à traiter qui s’écoule à contre-courant est mis en contact avec un solvant liquide. Ce dernier ruisselle sur les plaques de garnissage dont la géométrie a pour but de maximiser les taux de transfert de matière et de chaleur et l’aire de contact. Le taux de transfert est relié à l’hydrodynamique de l’écoulement au sein de ces garnissages. Plusieurs paramètres jouent un rôle important sur les régimes d’écoulement dans ces garnissages parmi lesquels : la physico-chimie du solvant, le débit liquide, le débit gaz, la géométrie, l’état de surface des plaques et leurs inclinaisons. L’objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement l’écoulement en film mince ruisselant afin d’améliorer la compréhension et par suite le développement des modèles des écoulements diphasiques. Dans cette étude, les impacts des paramètres précités ont été étudiés en mesurant l’épaisseur du film liquide, la vitesse interfaciale et le transfert de matière côté liquide en utilisant des méthodes optiques non intrusive. Un dispositif expérimental a été conçu. Trois plaques (plane, corruguée transversale et une géométrie similaire au MellapakTM 250Y) ont été fabriquées pour caractériser le rôle de la géométrie sur la structure de l’écoulement. Deux fluides caractérisés par une faible tension de surface (σ = 35 et 50 mN/m) et trois fluides caractérisés par une viscosité élevée (μ = 5, 10 et 15 mPa.s) ont été utilisés. L’épaisseur du film liquide et la vitesse interfaciale ont été mesurées sur les trois plaques en appliquant une technique basée sur l’intensité de fluorescence. Le couplage des mesures d’épaisseur du film et de la vitesse interfaciale a permis de mieux cerner l’influence des paramètres étudiés sur les phénomènes d’instabilités observés.Les taux de transfert de matière ont été estimés uniquement sur la plaque proche de celles composant un élément de garnissage MellapakTM 250Y. La méthode de temps de vie de fluorescence a été mise en œuvre pour des mesures à l’échelle locale. Cependant, les mesures de transfert de matière locales n’ont pas pu aboutir car la méthode s’est avérée inadaptée aux écoulements instables. Des pistes d’améliorations ont été identifiées, mais elles n’ont pas pu être mises en œuvre dans le cadre de cette thèse. L’absorption physique d’oxygène dans la phase liquide a été retenue à l’échelle globale de la plaque (prélèvements en entrée et en sortie du dispositif). Les mesures de transfert de matière globales ont permis d’estimer une dépendance du coefficient de transfert côté liquide par rapport aux débits gaz, liquide et en fonction de la physico-chimie des fluides. Ces résultats expérimentaux supporteront le développement des modèles d’écoulement diphasiques sur des géométries représentatives d’une plaque de garnissage, et notamment pour les calculs CFD.

This thesis aims to study the local variations of hydrodynamics and mass transfers of thin-film flows on complex surfaces similar to those of structured packings in columns used for CO2 capture. In these columns, the gas to be treated flows counter-currently with the liquid solvent trickling down over the packing plates. The geometry of the plates is designed to maximize the mass and heat transfer rates and the contact area. The transfer rate is related to the hydrodynamics of the flow within the packing.Several parameters play an important role on the flow regimes in these packings that can be summarized as follows: the physico-chemical properties of the solvent, the liquid flow rate, the gas flow rate, the geometry, the surface condition of the plates and their inclination. The objective of this thesis is to experimentally characterize the thin-film flow in order to better understand and subsequently develop models of these two-phase flows. In this investigation, the impact of the above-mentioned parameters has been studied by measuring the liquid film thickness, interfacial velocity, and liquid side mass transfer using non-intrusive optical methods. For this purpose, an experimental device was designed. Three plates with three different geometries (flat, transverse corrugated, and a sheet very similar in structure to the MellapakTM 250Y) were manufactured to study the impact of the geometry on the flow structure. Two fluids characterized by a low surface tension (σ = 35 and 50 mN/m) and three fluids characterized by a high viscosity (μ = 5, 10 and 15 mPa.s) were used. The liquid film thickness and interfacial velocity were measured on the three plates by applying fluorescence techniques. Coupling film thickness and interfacial velocity measurements led to a deeper understanding of the influence of the studied parameters on the observed liquid instability phenomena.Mass transfer rates were estimated only for the plate whose geometry is similar to a MellapakTM 250Y sheet. The fluorescence lifetime method was implemented for local scale measurements; however, these were unsuccessful due to limitations of the detection system. A physical absorption method was used for measurements at the global scale of the plate with liquid samples taken at the inlet and outlet. The local mass transfer measurements were not successful because the method is not adapted to unstable flows. Possible improvements have been identified, but they could not be implemented in this thesis. The global mass transfer measurements allowed to estimate the impact of the gas flow rate, the liquid flow rate, and the physico-chemical properties of the fluids on the liquid side mass transfer coefficient. These experimental results will support the development of two-phase flow models on a representative geometry of structured packing, and in particular for CFD calculations.