Analyse expÃ©rimentale et modÃ©lisation du transfert de matiÃ¨re et du ...

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Chapitre 1: Introduction généraleChapitre 1 :Introduction généraleLes réacteurs gaz liquide à bulles sont utilisés dans plusieurs domaines industriels (géniechimique, génie des procédés, génie énergétique, génie de l’environnement, etc…). Cesréacteurs sont souvent conçus pour mettre en contact les phases et pour assurer desphénomènes de transfert ou des transformations chimiques. La transformation dedifférentes formes de l’énergie s’effectue, souvent avec des changements de phases(ébullition, condensation...). L’ensemble des questions en relation avec le caractèrediphasique des systèmes gaz-liquide recouvre donc des enjeux majeurs au plan desapplications. Il suscite au plan scientifique, une forte activité de recherche pourcomprendre et modéliser ces écoulements complexes.Dans le domaine du traitement des eaux urbaines ou industrielles, l’aération des effluentsurbains dans les bassins de traitement biologique, la désinfection à l’ozone ou au chlorede l’eau potable ou de l’eau usée reposent sur une étape essentielle de dissolution d’ungaz sous forme de bulles dans l’eau. La flottation en colonne à bulles est par ailleursdevenue un procédé de séparation solide-liquide très utilisé dans plusieurs procédés detraitement. D’une façon générale, les phénomènes de transfert (de matière) et detransformation (agrégation, coalescence, rupture) qu’on veut maîtriser dans les réacteurspolyphasiques de traitement d’eau sont en relation directe avec la mise en contact desphases (bulles, flocs). Dans ces systèmes diphasiques dispersés, l’évolution des surfacesd’échange (aires interfaciales) et des structures des agrégats (qui contrôlent la diffusionde l’oxygène et des nutrients dans les flocs) détermine au plan global l’efficacité desréacteurs.Comme en génie chimique et en génie des procédés, les méthodes de calcul des systèmesmultiphasiques utilisés dans les procédés de traitement d’eau se basent le plus souvent surdes approches globales. Ces approchent reposent sur des bilans de matières dont lesfermetures s’appuient sur des lois semi-empiriques obtenues à partir d’expériencesréalisées en laboratoire ou opérées sur des pilotes industriels ou semi-industriels.1
Chapitre 1: Introduction généraleLa modélisation et la simulation des systèmes gaz-liquide industriels s’appuyait, donc,jusqu’à il y a une dizaine d’années, presque exclusivement sur cette approche globale quisimplifiait d’une manière drastique les équations qui décrivent le mouvement des fluides.Ces équations sont des bilans entrée-sortie ou des équations différentielles ordinaires quitraduisent les bilans de masse, de quantité de mouvement et d’énergie. La théorie de ladispersion axiale et le concept de la distribution des temps de séjour (DTS) ont, ainsi, étéutilisés dès les années cinquante pour rendre compte dans les modèles des caractéristiquesde l’écoulement dans les réacteurs. Les modèles de flux interfaciaux de masse en milieugaz-liquide se sont appuyés sur des corrélations expérimentales appliquées à desécoulements plus ou moins compliqués. Elles ont donné lieu à une panoplie de modèlesqui relient, le plus souvent de manière empirique, le taux de transfert de masse auxpropriétés physiques du liquide et du gaz dissous et aux caractéristiques macroscopiquesde l’écoulement.Cependant et malgré leur apport incontestable dans le développement des procédés etdans la maîtrise des techniques, les modèles hydrodynamiques globaux associés auxmodèles cinétiques de transfert restent insuffisants pour représenter la physique complexequi gouverne les transferts dans les écoulements multiphasiques.Le progrès important réalisé au cours des dernières décennies dans le domaine de laMécanique des Fluides Numérique permet aujourd’hui une approche plusphénoménologique des problèmes de transferts dans les systèmes de fluidesmultiphasiques dispersés. Des progrès importants ont d’abord été réalisés dans lamodélisation des écoulements turbulents monophasiques. Et les modèles industrielsdisponibles aujourd'hui permettent de traiter des classes de problèmes d'écoulementsturbulents variées (complexité géométrique, en présence d’écoulements secondaires,d’interaction onde-courant, etc...). Cependant, les modèles adoptés dans les codescommerciaux pour décrire les transferts interfaciaux en écoulement diphasique dispersésont encore assez peu élaborés. Certains traitent le milieu diphasique comme un mélangehomogène. Ces codes numériques peuvent être assez performants pour décrire lesécoulements turbulents diphasiques à condition qu’ils puissent être considérés comme desmilieux homogènes ou « quasi-homogénes ». Cette démarche semble réaliste à conditionque les interactions hydrodynamiques entre les phases restent faibles ainsi que lemouvement relatif. C'est éventuellement le cas des écoulements diphasiques dispersés trèsdilués où les particules sont de faible taille par rapport aux échelles de Kolmogorov.Appliqués aux écoulements diphasiques dispersés, les modèles homogènes deviennentinsuffisants dès qu’on s’écarte de ces hypothèses (c’est le cas des écoulements à bulles àgrand nombre de Reynolds par exemple). Dans ce cas, des difficultés propres auxsystèmes multiphasiques apparaissent. Elles consistent en un couplage fort entre les deuxphases qui résulte des interactions interfaciales. Il est donc nécessaire de développer desmodélisations capables de reproduire ces interactions et leurs effets sur les champs2
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BibliographieVoinov O. V., 1973. Fo
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