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Modélisation par une approche à deux fluides des écoulements gaz liquide à contre-courant dans les colonnes à garnissages

Fourati, Manel (2012) Modélisation par une approche à deux fluides des écoulements gaz liquide à contre-courant dans les colonnes à garnissages. (Two fluids approach for modeling of liquid gas flows in packed columns.)

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Résumé

Ce travail de thèse rentre dans le cadre du développement de modèles multi‐échelles de simulation de colonne d’absorption gaz‐liquide pour des applications de captage de CO2 en vue d’optimiser leur design. Il est le fruit d’une collaboration entre IFP Énergies nouvelles et l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Les colonnes à garnissages représentent une technologie essentielle aux applications d’absorption gaz‐liquide. Dans les procédés de captage de CO2 aux amines, le solvant liquide s’écoule sur les parois du garnissage, idéalement sous forme de film ruisselant mouillant toute la surface disponible, le gaz, en régime turbulent, venant le cisailler à contre‐courant de manière à promouvoir un transfert de CO2 de la phase gaz vers la phase liquide. Un écoulement le plus homogène possible permet d’avoir les meilleures performances de transfert. Toutefois, l’expérience montre que des maldistributions, notamment de la phase liquide, peuvent apparaître même en cas de bonnes distributions en entrée de colonne. La distribution du liquide est régie par un phénomène de « dispersion » dont l’étude et la modélisation représentent le principal objet de cette thèse. Pour ce faire, ce travail de thèse s’appuie sur des travaux expérimentaux, réalisés sur une installation d’IFPEN à Lyon, et sur des travaux numériques réalisés dans l’équipe Interface de l’IMFT. Le premier axe de l’étude abordé a ainsi consisté en l’acquisition de données originales de distribution de liquide en partant d’une configuration d’alimentation sous forme d’un jet central en tête de colonne et ce pour deux types de garnissages métalliques : un garnissage structuré, le Mellapak 250.X et un garnissage vrac, l’IMTP‐40. La méthode de tomographie gamma a été mise en œuvre afin de mesurer l’atténuation d’un flux photonique par le liquide en mouvement ce qui permet d’établir des cartes de rétention locale de liquide sur une section de colonne. Les profils de rétention résultants ont été ensuite exploités afin de caractériser la dispersion de liquide dans le système pour des régimes d’écoulement allant des plus faibles aux plus fortes interactions gaz‐liquide. Ces résultats ont permis de développer un modèle simple d’advection diffusion faisant appel à un paramètre hydrodynamique clé qui est le « coefficient de dispersion », qui reproduit bien l’étalement du jet de liquide. Dans le cas du garnissage Mellapak 250.X nous avons pu mettre en évidence une dispersion qui est régie essentiellement par la géométrie du milieu. Le cas du garnissage IMTP‐40 montre, lui, que la dispersion s’opère par des mécanismes plus complexes dus à la coexistence de plusieurs modes d’écoulement incluant des filets de liquide et des gouttes avec une forte sensibilité aux débits de liquide et de gaz. Le deuxième axe de l’étude a consisté à proposer et valider un modèle de simulation numérique de l’écoulement gaz‐liquide à contre‐courant permettant de retrouver ces phénomènes de dispersion. Un modèle Euler‐Euler offrant la possibilité de modéliser le système à une macroéchelle associé à une description du garnissage par un milieu poreux équivalent a été retenu. Les bases théoriques du modèle en question ont été investiguées et discutées et les différents termes à modéliser mis en évidence. Nous avons par la suite, en s’appuyant également sur des travaux antérieurs, identifié et discuté les principales propositions de modèles de fermeture du système d’équation de Navier‐stokes dans chacune des phases. Des simulations ont été effectuées sur la base de ce modèle en utilisant le code Fluent pour le cas particulier du garnissage structuré. Des résultats en bon accord avec l’expérience sont obtenus tant en termes de perte de charge que de rétentions locales. Les écarts en termes d’étalement du jet de liquide nous ont permis, pour leur part, de discuter le modèle de dispersion adopté, d’en dégager les limites et de proposer des améliorations à mettre en œuvre pour les travaux postérieurs. Enfin, et de manière indépendante, nous avons proposé une extension du modèle de frottement interfacial proposé par Iliuta et al. (2004) pour des régimes de fortes interactions entre phases permettant de mieux représenter l’écoulement et notamment de reproduire les courbes de perte de charge au‐delà du point de charge. ABSTRACT : This work is done within the framework of collaboration between IFPEN and l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). It takes place in the general context of optimization of industrial gas‐liquid packed columns dedicated to CO2 capture using multi‐scale simulation approach of hydrodynamics and transfer. The main objective of this study is to develop predictive model for liquid dispersion in two‐phase flows in packed beds operating in the counter‐current mode. This model will help simulate the flow at the macro‐scale of a packed column. Packed columns are widely used for gas/liquid absorption processes since they generate subsequent exchange surface between phases with limited pressure drop. In the particular case of amine process, the two‐phase flow in the packing consists in thin trickling liquid films sheared by counter‐current gas flow that circulates in communicating tortuous channels. It is widely recognized that homogeneous flow ensures good separation performances. This is far from being the case at industrial scale since maldistributions, especially for liquid phase, do occur even with optimized liquid and gas distributors in the column inlets. Liquid distribution results from “dispersion” phenomenon which modelling is not fully handled in literature. Prediction of liquid dispersion has been the main objective of this Ph.D. research. This study is based upon two main approaches: an experimental study carried out using a 40 cm in diameter column operating in IFPEN (Lyon) and a numerical study carried out in Interface team in IMFT. The first part of this research focused on measuring spatial distribution of liquid hold‐up over different sections of the packed bed using a gamma ray tomography system. In order to focus into liquid dispersion phenomenon, a point source liquid feeding configuration was considered. Hold‐up maps obtained from photonic flux attenuation measurements were then used to characterize liquid dispersion from a source point for both packings (Mellapak 250.X and IMTP‐ 40) using a relatively simple advection‐diffusion model. This model enables calculating a key hydrodynamic parameter that quantifies spreading of liquid in the packed bed denoted “spread factor”. In the particular case of Mellapak 250.X packing, we found that spread factor does not vary significantly with gas flow‐rate neither with liquid one. This reveals that liquid dispersion is only governed by packing geometry. However, in the case of IMTP‐40 random packing, more complex mechanisms appear to drive liquid dispersion since liquid flows as films, rivulets and drops. This results in spread factors that are sensitive to gas and liquid flow rates. The second part of this work consisted in describing the two‐phase flow in the packed bed using a Euler‐Euler approach coupled with a porous medium description. This approach allows simulate the complex flow in the packing in a simple equivalent geometry using specific closure laws. Focus in the theoretical development of the Eulerian Navier‐Stokes equations system gives rise to volumetric terms that must be modeled. They are related to porous resistances, drag force at the phases interface and dispersion forces that control phases spreading. An analysis of the literature was carried out in order to identify and discuss closure laws for these terms. Using these closure laws, a 2D axisymmetric simulation is carried out considering Mellapak 250.X structured packing. Results show good agreement with experimental data both in terms of pressure drop and liquid local hold‐up orders of magnitude. Discrepancies with experimental data as regards liquid spreading allowed us discuss the relevance of the considered dispersion model and suggest further improvements. Finally, a discussion of porous resistances and drag models based on work of Iliuta et al. (2004) is proposed and a suggestion of their extension to significant gas‐liquid interaction regimes is given.

Département ou laboratoire:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Roig, Véronique et Raynal, Ludovic
Mots-clés:Captage de CO2 – Garnissages – Structurés – Vrac - Gaz-liquide - Contre-courant - Tomographie gamma - Euler-Euler
Sujets:Génie des procédés
Hydraulique > Dynamique des fluides
Déposé le:05 Mars 2013

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