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Etude du transfert de masse réactif Gaz-Liquide le long de plans corrugués par simulation numérique avec suivi d'interface

Haroun, Yacine (2008) Etude du transfert de masse réactif Gaz-Liquide le long de plans corrugués par simulation numérique avec suivi d'interface. (Numerical simulation study of gas/liquid reactive mass transfer along corrugated sheets with interface tracking.)

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Abstract

Ce travail rentre dans le cadre du développement des procédés de traitement de gaz acides et de captage de CO2. L'objectif est d’étudier numériquement les phénomènes de transferts de masse réactif dans des configurations proches de celles rencontrées dans les contacteurs de type garnissage structuré. Les écoulements considérés sont du type « film ruisselant » le long d'une géométrie corruguée cisaillé par un flux gazeux chargé d’espèces acides. Les espèces acides de la phase gaz s'absorbent dans le film liquide où elles réagissent chimiquement. Des simulations numériques sont menées afin de comprendre l'impact des propriétés physiques et géométriques sur le transfert de masse réactif, pour des gammes proches des conditions industrielles. L'approche numérique développée dans le code JADIM pour traiter des problèmes d’absorption réactive dans des écoulements diphasique à interface déformable est basée sur la méthode VOF (Volume of Fluid). Dans cette approche, l'équation de conservation des espèces chimiques est résolue en étant couplée avec les équations de Navier-Stokes et l'équation de suivi d'interface. La prise en compte de l'équilibre thermodynamique des espèces chimiques à la traversée de l'interface gaz/liquide est résolue avec une modélisation originale, utilisant la méthode à un seul fluide et la loi de Henry avec un coefficient constant. Le premier axe d'étude abordé a été celui du transfert avec et sans réaction chimique dans un film liquide tombant sous l'effet de la gravité. Celui-ci s'est divisé principalement en trois parties. La première a porté sur le transfert de matière par absorption dans un film liquide tombant sous l'effet de la gravité. Les résultats obtenus montrent que le transfert dans un film liquide en écoulement laminaire se fait principalement en deux modes. Le premier mode se produit pour les temps de contact relativement courts où le mécanisme de transfert est piloté essentiellement par l'advection de l'interface qui transporte la concentration. Le second mode de transfert se produit pour les longs temps de contact. Le processus de transfert s'opère alors essentiellement par diffusion moléculaire dans un film saturé et le nombre de Sherwood est par conséquent constant (Sh=2). La deuxième partie a porté sur l'étude du transfert de masse réactif dans un film liquide tombant. Les résultats obtenus montrent que lorsque le transfert de masse est accompagné d’une réaction chimique irréversible du premier ordre et du deuxième ordre, les résultats des simulations numériques sont globalement en bon accord avec les solutions de Danckwerts (1970) et Brian et al. (1961) respectivement. Finalement, l'effet de la déstabilisation de l'interface sur le  transfert de masse dans un film liquide a été considéré. Dans cette partie nous avons montré l'influence de la formation d’onde sur le transfert de matière. Le second axe d’étude a concerné l'étude du transfert de masse réactif dans un écoulement de film liquide le long d'une paroi corruguée bidimensionnelle proche de celle rencontrée dans les contacteurs à garnissage structuré. Dans un premier temps, nous avons décrit l'hydrodynamique du film liquide. Cette étude nous a permis de comprendre l’impact de la géométrie et des propriétés physiques sur l'évolution du film liquide et sur la structure de l’écoulement. Dans un second temps nous avons étudié l’effet de la géométrie corruguée sur le transfert de masse sans réaction chimique. En s'appuyant sur la description locale du transfert, nous avons pu développer des coefficients de transfert globaux en reliant les paramètres de transfert à des grandeurs facilement maîtrisables en ingénieries tels que le nombre de Schmidt, le nombre de Reynolds et la longueur ou l'amplitude de la corrugation. Nous avons ainsi montré qu'une modélisation issue de la théorie de Higbie reste encore utilisable car l'espèce transférée à l'interface diffuse peu dans le film compte tenu de sa diffusivité. Enfin nous avons considéré un transfert réactif pour ce type de géométrie en considérant une réaction du second ordre. Nous avons montré que l'évolution du facteur d'accélération est peu sensible au garnissage et correspond à celle d'un film plan. La solution implicite de Brian et al. (1961) est par conséquent bien adaptée pour estimer le facteur d'accélération dans la configuration étudiée. ABSTRACT : This work is done within the framework of gas treatment and CO2 capture process development. The main objective of the present work is to fill the gap between classical experiments and industrial conditions by the use of Computational Fluid Dynamics (CFD). The physical problem considered corresponds to the liquid film flow down a corrugate surface under gravity in present of a gas phase. The chemical species in the gas phase absorb in the liquid phase and react. Numerical calculations are carried out in order to determine the impact of physical and geometrical properties on reactive mass transfer in industrial operating conditions. The computational approach developed in the JADIM code to study reactive mass transfer in two-phase flow with deforming interface is based on volume of fluid method. The chemical species concentration equation is solved coupled with the Navier-Stokes equations and volume fraction equation. The numerical difficulties arise in imposing jump discontinuity for chemical concentrations at the interface due to different solubility are solved by using a continuum mechanical modelling of two phases flow and Henry's law with constant coefficient. This new modelling allows interpreting jump conditions as continues effect only active in the interface zone, where diffusive mass flux across the interface remains continue. The first study performed focus on mass transfer with and without chemical reaction in falling liquid film flow on vertical wall. This first study is devised in three parts. In the first part we interest to mass transfer by absorption in falling liquid film under effect of gravity. The result shows that the transfer in laminar film flows occurs with two transfer mode. The first mode occurs for short contact time between chemical species and liquid film, the predominant mechanism of mass transfer in this case is the advection of the interface that transports the concentration. The second mode occurs for large contact time, the predominant mechanism of mass transfer in this case is molecular diffusion. The value of Sherwood number in this mode remains constant (Sh=2). The second parts focus on reactive mass transfer in falling liquid film. The results show that when the mass transfer is accompanied by first and second order irreversible chemical reaction, the numerical simulation results are in good agreement with Danckwerts (1970) and Brian et al. (1961) solution respectively. Finally the effects of interface destabilisation on mass transfer in liquid film flow are considered. In this part, we show the impact of wave formation on mass transfer. The second study deals with reactive mass transfer in laminar film flow along corrugate wall that correspond to 2D cross section of structured packing. Initially, we address how the corrugate wall geometry and physical properties of fluid affects the free surface profile and the structure of the film liquid flow. We next study the effect of the corrugate surface geometry on the mass transfer without chemical reaction. Furthermore, by using the local description of the mass transfer, we develop global mass transfer coefficients correlation in function of parameters easily computed such as the Schmidt number, the Reynolds number and the length or the amplitude of the corrugation. We also showed that the Higbie theory remains still usable in the case of liquid side mass transfer in liquid film flow on structured packing. Finally we consider a reactive mass transfer with second order chemical reaction for corrugate geometry. The result shows that the evolution of the enhancement factor is not very sensitive to the corrugate geometry and corresponds to that of a plane film. The implicit solution of Brian et al. (1961) is consequently well adapted to estimate the enhancement factor in the studied configuration.

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Legendre, Dominique
Uncontrolled Keywords:Transfert de masse réactif - Ecoulement diphasique - Simulation numérique - Suivi d'interface - Film ruissellent - Garnissage structuré - Loi de Henry - Modélisation
Subjects:Hydraulics > Fluid dynamics
Deposited On:29 January 2009

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