Le bicarbonate de soude raffiné, produit industriellement par la société Solvay, est fabriqué dans des colonnes à bulles de grande taille, appelées les colonnes BIR. Dans ces colonnes, une phase gazeuse contenant un mélange d’air et dioxyde de carbone (CO2) est dispersée sous forme de bulles dans une solution aqueuse de carbonate et de bicarbonate de sodium (respectivement Na2CO3 et NaHCO3). Cette dispersion donne lieu à un transfert de CO2 des bulles vers la phase liquide. Au sein des colonnes, la phase gazeuse se répartit dans deux populations de bulles : des petites bulles (diamètre de quelques mm) et des grandes bulles (diamètre de quelques cm). Le transfert bulle-liquide de CO2 est couplé à des réactions chimiques prenant place en phase liquide, qui conduisent à la conversion du Na2CO3 en NaHCO3. Une fois la concentration de saturation dépassée, le NaHCO3 précipite sous forme de cristaux et un mélange liquide-solide est recueilli à la sortie de ces colonnes. Ce travail, réalisé en collaboration avec la société Solvay, porte sur l’étude et la modélisation mathématique des phénomènes de transfert de matière entre phases, couplés à des réactions chimiques, prenant place au sein d’une colonne BIR. L’association d’études sur des colonnes à bulles à l’échelle industrielle ou réduite (pilote) et d’études plus fondamentales sur des dispositifs de laboratoire permet de développer une meilleure compréhension du fonctionnement des colonnes BIR et d’en construire un modèle mathématique détaillé. L’objectif appliqué de ce travail est la mise au point d’un modèle mathématique complet et opérationnel d’une colonne BIR. Cet objectif est supporté par trois blocs de travail, dans lesquels différents outils sont développés et exploités. Le premier bloc est consacré à la modélisation mathématique du transfert bulle-liquide de CO2 dans une solution aqueuse de NaHCO3 et de Na2CO3. Ce transfert est couplé à des réactions chimiques en phase liquide qui influencent sa vitesse. Dans un premier temps, des modèles sont développés selon des approches unidimensionnelles classiquement rencontrées dans la littérature. Ces approches passent par une idéalisation de l’écoulement du liquide autour des bulles. Une expression simplifiée de la vitesse du transfert bulle-liquide de CO2, est également développée et validée pour le modèle de colonne BIR. Dans un second temps, une modélisation complète des phénomènes de transport (convection et diffusion), couplés à des réactions chimiques, est réalisée en suivant une approche bidimensionnelle axisymétrique. L’influence de la vitesse de réactions sur la vitesse de transfert est étudiée et les résultats des deux approches sont également comparés. Le deuxième bloc est consacré à l’étude expérimentale du transfert gaz-liquide de CO2 dans des solutions aqueuses de NaHCO3 et de Na2CO3. A cette fin, un dispositif expérimental est développé et présenté. Du CO2 est mis en contact avec des solutions aqueuses de NaHCO3 et de Na2CO3 dans une cellule transparente. Les phénomènes provoqués en phase liquide par le transfert de CO2 sont observés à l’aide d’un interféromètre de Mach-Zehnder. Les résultats expérimentaux sont comparés à des résultats de simulation obtenus avec un des modèles unidimensionnels développés dans le premier bloc. De cette comparaison, il apparaît qu’une mauvaise estimation de la valeur de certains paramètres physico-chimiques apparaissant dans les équations de ce modèle conduit à des écarts significatifs entre les grandeurs observées expérimentalement et les grandeurs estimées par simulation des équations du modèle. C’est pourquoi une méthode d’estimation paramétrique est également développée afin d’identifier les valeurs numériques de ces paramètres physico-chimiques sur base des résultats expérimentaux. Ces dernières sont également discutées. Dans le troisième bloc, nous apportons une contribution à l’étude des cinétiques de précipitation du NaHCO3 dans un cristallisoir à cuve agitée. Cette partie du travail est réalisée en collaboration avec Vanessa Gutierrez (du service Matières et Matériaux de l’ULB). Nous contribuons à cette étude par le développement de trois outils : une table de calcul Excel permettant de synthétiser les résultats expérimentaux, un ensemble de simulations de l’écoulement au sein du cristallisoir par mécanique des fluides numérique et une nouvelle méthode d’extraction des cinétiques de précipitation du NaHCO3 à partir des résultats expérimentaux. Ces trois outils sont également utilisés de façon combinée pour estimer les influences de la fraction massique de solide et de l’agitation sur la cinétique de germination secondaire du NaHCO3. Enfin, la synthèse de l’ensemble des résultats de ces études est réalisée. Le résultat final est le développement d’un modèle mathématique complet et opérationnel des colonnes BIR. Ce modèle est développé en suivant l’approche de modélisation en compartiments, développée au cours du travail de Benoît Haut. Ce modèle synthétise les trois blocs d’études réalisées dans ce travail, ainsi que les travaux d’Aurélie Larcy (du service Transferts, Interfaces et Procédés de l’ULB) et de Vanessa Gutierrez. Les équations modélisant les différents phénomènes sont présentées, ainsi que la méthode utilisée pour résoudre ces équations. Des simulations des équations du modèle sont réalisées et discutées. Les résultats de simulation sont également comparés à des mesures effectuées sur une colonne BIR. Un accord raisonnable est observé. A l’issue de ce travail, nous disposons donc d’un modèle opérationnel de colonne BIR. Bien que ce modèle doive encore être optimisé et validé, il peut déjà être utilisé pour étudier l’effet des caractéristiques géométriques des colonnes BIR et des conditions appliquées à ces colonnes sur le comportement des simulations des équations du modèle et pour identifier des tendances. // The refined sodium bicarbonate is produced by the Solvay company using large size bubble columns, called the BIR columns. In these columns, a gaseous phase containing an air-carbon dioxyde mixture (CO2) is dispersed under the form of bubbles in an aqueous solution of sodium carbonate and sodium bicarbonate (Na2CO3 and NaHCO3, respectively). This dispersion leads to a CO2 transfer from the bubbles to the liquid phase. Inside these columns, the gaseous phase is distributed in two bubbles populations : small bubbles (a few mm of diameter) and large bubbles (a few cm of diameter). The bubble-liquid CO2 transfer is coupled with chemical reactions taking places in the liquid phase that leads to the conversion of Na2CO3 to NaHCO3. When the solution is supersaturated in NaHCO3, the NaHCO3 precipitates under the form of crystals and a liquid-solid mixture is extracted at the outlet of the BIR columns. This work, realized in collaboration with Solvay, aims to study and to model mathematically the mass transport phenomena between the phases, coupled with chemical reactions, taking places inside a BIR column. Study of bubble columns at the industrial and the pilot scale is combined to a more fundamental study at laboratory scale to improve the understanding of the BIR columns functioning and to develop a detailed mathematical modeling. The applied objective of this work is to develop a complete and operational mathematical modeling of a BIR column. This objective is supported by three blocks of work. In each block, several tools are developed and used. The first block is devoted to the mathematical modeling of the bubble-liquid CO2 transfer in an NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solution. This transfer is coupled with chemical reactions in liquid phase, which affect the transfer rate. In a first time, mathematical models are developed following the classical one-dimensional approaches of the literature. These approaches idealize the liquid flow around the bubbles. A simplified expression of the bubble-liquid CO2 transfer rate is equally developed and validated for the BIR column model. In a second time, a complete modeling of the transport phenomena (convection and diffusion) coupled with chemical reactions is developed, following an axisymmetrical twodimensional approach. The chemical reaction rate influence on the bubble-liquid transfer rate is studied and the results of the two approaches are then compared. The second block is devoted to the experimental study of the gas-liquid CO2 transfer to NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solutions. An experimental set-up is developed and presented. CO2 is put in contact with NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solutions in a transparent cell. The phenomena induced in liquid phase by the CO2 transfer are observed using a Mach-Zehnder interferometer. The experimental results are compared to simulation results that are obtained using one of the one-dimensional model developed in the first block. From this comparison, it appears that a wrong estimation of some physico-chemical parameter values leads to significative differences between the experimentally observed quantities and those estimated by simulation of the model equations. Therefore, a parametric estimation method is developed in order to estimate those parameters numerical values from the experimental results. The found values are then discussed. In the third block is presented a contribution to the NaHCO3 precipitation kinetic study in a stirred-tank crystallizer. This part of the work is realized in collaboration with Vanessa Gutierrez (Chemicals and Materials Department of ULB). Three tools are developed : tables in Excel sheet to synthetize the experimental results, a set of simulations of the flow inside the crystallizer by Computational Fluid Dynamic (CFD) and a new method to extract the NaHCO3 precipitation kinetics from the experimental measurements. These three tools are combined to estimate the influences of the solid mass fraction and the flow on the NaHCO3 secondary nucleation rate. Finally, the synthesis of all these results is realized. The final result is the development of a complete and operational mathematical model of BIR columns. This model is developed following the compartmental modeling approach, developed in the PhD thesis of Benoît Haut. This model synthetizes the three block of study realized in this work and the studies of Aurélie Larcy (Transfers, Interfaces and Processes Department of ULB) and those of Vanessa Gutierrez. The equations modeling the phenomena taking place in a BIR column are presented as the used method to solve these equations. The equations of the model are simulated and the results are discussed. The results are equally compared to experimental measurement realized on a BIR column. A reasonable agreement is observed. At the end of this work, an operational model of a BIR column is thus developed. Although this model have to be optimized and validated, it can already be used to study the influences of the geometrical characteristics of the BIR columns and of the conditions applied to these columns on the behaviour of the model equation simulations and to identity tendencies.

Bubble columns are multiphase contactors, which are often used for the operation of multiphase reactions. These reactors are characterized by large interfacial areas, intense mixing in the column and dynamic flow structures. For the design of bubble columns numerous empirical correlations for hydrodynamic and mass transfer parameters exist, which however, only cover a specific design range, e.g. column diameter and reaction system. Furthermore, they are often based on integral measurements. High deviations occur especially at moderate and high gas holdup, since fluid dynamics and mass transfer are essentially determined by local effects, which has received little attention so far due to lack of appropriate measurement techniques. For this reason the design of bubble columns is carried out with considerable safety margins. Therefore, bubble columns have a high potential for savings in terms of efficiency and operating costs if the unterstanding of the hydrodynamics and mass transfer in bubble columns is improved. The fluid dynamics in bubble columns are essentially characterized by the bubble size distribution and with increasing gas holdup by enhanced bubble interaction, which leads to intense motion in the liquid phase. A cross-scale study of the fluid dynamics is necessary to better understand the factors influencing the global fluid dynamics and to optimize the design of bubble columns. The major limitations in the experimental investigation of dense bubbly flow are the available measurement techniques. As the fraction of the dispersed phase increases, the optical accessibility decreases and limits the selection of appropriate measurement techniques. This work deals with the experimental study of fluid dynamics and mass transfer with chemical reaction using tomographic measurement techniques. The experiments were performed in a cylindrical bubble column with 0.10 m inner diameter. The gas phase fluid dynamics were studied by means of ultrafast X-ray computed tomography (UFXCT). Additionally, the minimally intrusive wire-mesh sensor was qualified to assess chemical species concentrations during chemical absorption of CO2 and to derive local mass transfer related parameters. Among the global description of the fluid dynamics also local parameters of the dispersed phase were extracted. Advanced post-processing algorithms for ultrafast X-ray CT data allow a more accurate determination of the Sauter diameter and interfacial area due to the extraction of the bubbles surface area. The interaction of bubbles within dense bubbly flow was studied by determining and evaluating distance parameters of the bubbles. Based on that, the near order of bubbles was studied and conclusions on their preferential arrangement in dense bubbly flows were derived. Furthermore, the fluid dynamics and mass transfer were studied in the presence of a chemical reaction. For this purpose experiments on the chemical absorption of CO2 in sodium hydroxide solution were performed at various gas flow rates and initial pH values of the solution. The change of the fluid dynamics and the conversion of the chemical species is analyzed for different experimental conditions. A core topic of the present work is the determination of concentration of a chemical species during chemical absorption of CO2. Within this work, the wire-mesh sensor was qualified for this new field of application and was used to determine cross-sectional data of the species conversion. Through combined use of the wire-mesh sensor and ultrafast X-ray CT an extensive data base on the chemical absorption of CO$_2$ was obtained, which can be used for numerical validation of bubbly flows with gas holdups < 0.17 / Blasensäulen sind in der chemischen Industrie sehr häufig genutzte Kontaktapparate für die Durchführung von Mehrphasenreaktionen. Sie zeichnen sich durch eine hohe Gas-Flüssig-Aus-tauschfläche, starke Vermischung und dynamische Strömungsstrukturen aus. Bisher basiert die Auslegung von Blasensäulen vorrangig auf empirischen Korrelationen. Hohe Abweichungen dieser Korrelationen treten vor allem bei moderaten und hohen Gasgehalten auf, da die Fluiddynamik und der Stofftransport wesentlich durch lokale Effekte bestimmt sind, die bisher aufgrund fehlender Messtechnik nur wenig Beachtung finden. Aus diesem Grund erfolgt die bisherige Auslegung von Blasensäulenreaktoren mit erheblichen Sicherheitszuschlägen. Daraus lässt sich ableiten, dass Blasensäulen in Bezug auf deren Effizienz und die Höhe der Betriebskosten ein enormes Einsparungspotential aufweisen, wenn das Verständnis von Hydrodynamik und Stofftransport in Blasensäulen verbessert wird. Die Fluiddynamik in Blasensäulen wird wesentlich durch die Blasengrößenverteilung und bei steigendem Gasgehalt durch die durch zunehmende Blaseninteraktion induzierte Flüssigkeitsbewegung charakterisiert. Eine skalenübergreifende Untersuchungen der Fluiddynamik ist erforderlich, um die Einflussfaktoren der globalen Fluiddynamik besser verstehen zu können und die Auslegungsgleichungen optimieren zu können. Die größte Limitierung der experimentellen Untersuchung von dichten Blasenströmung stellt die verfügbare Messtechnik dar. Mit zunehmenden Anteil der Dispersphase nimmt die optische Zugänglichkeit ab und schränkt die Möglichkeiten bei der Auswahl geeigneter Messtechniken ein. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung der Fluiddynamik und des Stofftransports bei chemischer Reaktion mit Hilfe tomographischer Messverfahren. Die Experimente wurden in einer zylindrischen Blasensäule mit 0,10 m Durchmesser durchgeführt. Die Fluiddynamik der Gasphase wurde mit Hilfe der ultraschnellen Röntgen-Computertomographie (UFXCT) untersucht. Zusätzlich wurde der minimal-intrusive Gittersensor qualifiziert, um die Konzentrationen einer relvanten chemischen Spezies während der chemischen Absorption von CO2 zu bestimmen und stofftransportbezogene Parameter auf lokaler Ebene berechnen. Neben der räumlich und zeitlich gemittelten Beschreibung der Fluiddynamik wurden auch lokale Parameter der dispersen Phasen bestimmt. Fortgeschrittene Auswertungsalgorithmen ermöglichen eine genauere Berechnung des Sauterdurchmessers und der Phasengrenzfläche durch direkte Bestimmung der Blasenoberfläche. Die Interaktion von Blasen in der dichten Blasenströmung wurde durch die Berechnung von Abstandsparametern untersucht. Dies ermöglicht die Analyse der Nahordnung von Blasen und lässt damit Rückschlüsse auf deren bevorzugte Anordnung in dichten Blasenströmungen zu. Darüber hinaus wurden die Fluiddynamik und zum Stofftransport in Gegenwart einer chemischen Reaktion untersucht. Dazu wurden Experimente zur chemischen Absorption von CO2 n Natronlauge in der Blasensäule bei verschiedenen Gasdurchsätzen und unterschiedlichen initialen pH-Werten der Lösung durchgeführt. Die Veränderung der Fluiddynamik der Gasphase und die Umwandlung der chemischen Spezies wurden unter verschiedenen Betriebsbedingungen analysiert. Ein Kernthema der Arbeit stellt die Erfassung der Konzentration einer chemischen Spezies während der chemischen Absorption dar. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit der Gittersensor für dieses neue Anwendungsgebiet qualifiziert und eingesetzt, um querschnittsaufgelöste Daten über den Verbrauch der charakteristischen Spezies zu ermitteln. Durch den kombinierten Einsatz der Gittersensormesstechnik und der ultraschnellen Röntgentomographie wurden umfangreiche Daten zur Hydrodnamik und zum Stofftransport während der chemischen Absorption von CO2 erhalten. Diese stellen eine umfassende Datenbasis zur numerischen Validierung von Blasenströmungen mit Gasgehalten bis zu 17% dar.

La simulation de réacteurs à bulles en régime industriel est un grand défi. L'objectif principal de ce travail est la prédiction de la taille des bulles à l’aide d’un modèle numérique de bilan de population, basé sur la modélisation des phénomènes de brisure et de coalescence, et pouvant être couplé aux conditions hydrodynamiques présentes dans les réacteurs. Différentes données expérimentales sont obtenues pour valider le modèle. La taille des bulles est mesurée à l'aide d'une technique innovante de corrélation croisée. Les essais, réalisés en eau du réseau (partiellement contaminée) et en eau déminéralisée avec ajout éventuel d'éthanol, montrent que les additifs réduisent la coalescence et diminuent la taille moyenne des bulles. Deux distributeurs du gaz différents sont utilisés pour découpler l'étude de la brisure et de la coalescence. Les données expérimentales sont utilisées initialement pour valider des simulations CFD 3D transitoires Eulériennes-Eulériennes. La loi de traînée est corrigée par un facteur de swarm pour intégrer l’effet d’une fraction de gaz élevée. Différents modèles de turbulence sont testés. La contribution de la turbulence induite par les sillages de bulles au mélange de scalaires est évaluée. Enfin, pour prédire la taille des bulles, un bilan de population est couplé au modèle hydrodynamique préalablement validé et est résolu par la méthode de quadrature des moments (QMOM). Un set original de kernels de brisure et coalescence est proposé, capable de prédire la taille des bulles pour différentes conditions opératoires. Le comportement du modèle lors de l’extrapolation des réacteurs est également examiné / The simulation of bubble column reactors under industrial operating conditions is an exciting challenge. The main objective of this work is to predict the bubble size, in turn interconnected to the reactor hydrodynamic conditions, with computational models, by modelling bubble breakage and coalescence. Experimental data is collected for model validation, including bubble size measurements with an innovative cross-correlation technique. Experiments are carried out with tap water and demineralized water, with or without the addition of ethanol, and gathered results show that additives reduce coalescence and lower the mean bubble size. Two different spargers are used, in order to decouple the investigation of breakage and coalescence. The experimental data set is used to validate out unsteady three-dimensional Eulerian-Eulerian CFD simulations. A drag law for oblate bubbles is considered, together with a swarm factor, that accounts for the swarm effect. Several turbulence models are tested. The contribution of bubble induced turbulence (BIT) to scalar mixing is assessed. To predict bubble size, a population balance model is coupled to the hydrodynamic model and is solved with the quadrature method of moments. A set of breakage and coalescence kernels is proposed, capable of predicting the bubble size for different operating conditions. Scale-up effects are also investigated

Les colonnes à bulles sont largement utilisées dans les domaines du génie chimique et biologique, grâce à leur configuration simple, exempte de toute partie mobile. Néanmoins, leur extrapolation aux échelles industrielles engendre des modifications de l’hydrodynamique globale (vitesse du liquide, taille des bulles) qui sont encore difficile à prédire avec les outils numériques disponibles.La thèse a pour objectif d’établir une base de données sur l’évolution radiale et axiale de l’hydrodynamique locale (taux de vide, taille de bulles, vitesse liquide), dans différentes tailles de colonnes allant de 0.15 à 3 m de diamètre, pour des vitesses superficielles gaz comprises entre 3 et 35 cm/s, générant des taux de vide atteignant les 35%. Les mesures de taux de vide local, de vitesse de bulles et de la taille verticale des bulles sont réalisées à l’aide d’une sonde optique 1C. De plus, une nouvelle méthode pour mesurer la taille horizontale des bulles à fort taux de vide et en écoulement fortement multidirectionnel est proposée dans cette thèse. Cette méthode est basée sur la corrélation croisée spatiale de signaux provenant de deux sondes optiques placées parallèlement à la même élévation, et à une distance l’une de l’autre devant nécessairement être plus faibles que les bulles les plus petites présentes dans l’écoulement. Les mesures de taille de bulles sont validées en les comparant à un traitement d’images par endoscopie. Pour des vitesses superficielles de gaz supérieures à 9 cm/s, un bon accord est trouvé entre les trois méthodes (sonde optique 1C, corrélation croisée et endoscopie). La taille des bulles augmente légèrement lorsque la vitesse superficielle gaz augmente, par contre elle n’est pas impactée de manière significative par le diamètre des colonnes. Une plus grande ségrégation radiale est tout de même visible dans les plus grandes colonnes testées.Un modèle 1D radial développé pour un écoulement invariant le long de l’axe de la colonne est utilisé pour tester différents formalismes de forces de trainée, utilisant les données expérimentales de taille moyenne de bulles. Les simulations montrent que pour prédire correctement le flux gazeux expérimental, il est nécessaire d’introduire un « swarm factor » (Simonnet et al, 2008) diminuant le coefficient de trainée à fort taux de vide. De plus, des simulations 3D URANS avec Fluent® sont réalisées avec la loi de trainée validée par le modèle 1D précédemment cité. Un bon accord est observé entre les valeurs expérimentales et simulées des profils radiaux de taux de vide et de vitesse liquide, pour des diamètres de colonne allant de 0.4 m à 3 m, et pour des vitesses superficielle gaz de 3 à 35 cm/s. / Bubble columns reactors are widely used in chemical and biological engineering due to its simple configuration without mobile parts. However, the scale-up prediction of a bubble columns reactors is still a challenging process, due to the lack reliable experimental data and models.The present work aims to construct detailed database of the radial and axial evolution of local hydrodynamics properties (gas hold-up, bubble size and velocity, liquid velocity) acquired in several bubble columns in a scale factor of 20 (from 0.15 to 3 m in diameter), for a superficial gas velocity from 3 to 35 cm/s, yielding gas hold-ups up to 35 %. Measurements of local gas hold-up, bubble velocity and bubble vertical size are performed by a 1C mono-fiber optical probe. Moreover, a novel method to measure mean horizontal diameter of bubbles at high void fraction and in a multi-directional flow is proposed. This method is based in the spatial-cross correlation of signal of two optical probes placed parallel side by side, at a given distance from each other, at the same elevation in the column. The validation of the bubble size measurements are performed through a comparison of the results with an endoscopic imaging method. For superficial gas velocities higher than 9 cm/s, a good agreement is found between the three methods (1C mono-fiber optical probe, cross-correlation and endoscopic imaging). A slight increase is registered with the increase of the superficial gas velocity, however there is no significant variation with the column diameter.A 1-D radial model of a bubbly flow (Ueyama and Miyauchi, 1979) developed for a invariant flow along the column axis, is used to benchmark several classic formalisms of the drag force, using experimental average bubble size. Results show that to correctly predict the experimental gas flowrate, it is necessary to use a Swarm factor (Simonnet et al, 2008) that reduces the drag coefficient for high gas hold-up values. Moreover, Fluent® 3D URANS simulations are performed using the previously validated drag force formalism. A good agreement is found between experimental and simulated radial profiles of gas holdup and liquid velocity for column diameters ranging from 0.4 m up to 3 m in diameter in a range of superficial gas velocities from 3 cm/s to 35 cm/s.

Orientador: Milton Mori, Marcos A. d'Avila / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-06T05:47:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_CelsoMurilodos_M.pdf: 3396606 bytes, checksum: 6f04eb0860468401aa6369dba2b5c839 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Colunas de bolhas são equipamentos de simples operação, mas que apresentam uma fluidodinâmica complexa. Seu funcionamento básico é dado pela injeção de um gás (fase dispersa) na base da coluna em um meio líquido (fase contínua). Elas são empregadas nas mais diversas áreas industriais, como processos de química fina, reações de oxidação, reações de alquilação, síntese de Fischer-Tropsch, tratamento de efluentes, reações de fermentação e produção de proteínas, e mais recentemente, em cultura de células. Neste trabalho foram realizadas simulações tridimensionais do escoamento transiente em coluna de bolhas utilizando o pacote computacional de CFD CFX® 5.7 (ANSYS®). Este pacote utiliza o método dos volumes finitos para solucionar as equações governantes de transporte em escoamento multifásico, utilizando a abordagem Euleriana-Euleriana, que mostrou-se adequada para este estudo. Os estudos de casos foram feitos para verificar a influência das propriedades da fase contínua (viscosidade e tensão superficial), da fase dispersa (diâmetro das bolhas) e dos modelos de arraste ... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: Bubble columns are equipments of simple operation, but presents a complex fluidodynamic. Its basic operation consists of the injection of a gas (disperses phase) in the bottom of the column in a liquid medium (continuous phase). As reactors, they are used in a variety of chemical processes, such as Fischer-Tropsch synthesis, oxidation reactions, alkylation reactions, effluent treatment, fermentation, reactions, protein production, and more recently, in cell cultures. In this work, three-dimensional simulations of the transient flow in bubble columns was performed using the computational package CFD CFX® 5.7 (ANSYS®). This package uses the finite volumes method to solve the governing equations of transport in multiphase flow using the Eulerian-Eulerian approach, which showed to be adequate for this study. The case studies were carried out in order to verify the influence of the properties of the continuous phase (viscosity and superficial tension), the dispersed phase (diameter of the bubbles) and the drag models ... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

L’Oxydation en Voie Humide (OVH) est un procédé dont l’objectif est de dégrader la matière organique contenue dans les eaux usées à l’aide d’une réaction d’oxydation. L'OVH fonctionne à haute pression (10 – 30 MPa) et haute température (373 – 613 K) avec l’oxygène de l’air comme oxydant. Les procédés OVH sont mis en œuvre dans des réacteurs de type colonne à bulles, permettant de maximiser le temps de passage du liquide et le transfert de matière de l’oxygène du gaz vers le liquide, élément clé de l’efficacité du procédé. L’absence de données expérimentales et de corrélations, nécessaires pour l’estimation des paramètres gouvernant le transfert de matière dans les colonnes à bulles fonctionnant dans les conditions d’OVH, est donc pénalisante. Des mesures de rétention de gaz, de diamètre de bulle et d’aire interfaciale en eau claire et en présence d’un polluant (phénol), en conditions non réactives et réactives, ont montré des effets prépondérants de la vitesse superficielle de gaz, de la concentration en polluant et de la saturation du gaz par la vapeur d’eau. La bulle primaire, formée au niveau du distributeur de gaz, et le diamètre de la colonne sont des paramètres essentiels pour l’optimisation du procédé. La mesure du coefficient de transfert de matière, par une nouvelle méthode chimique utilisant l’oxydation du phénol, a montré que celui-ci dépend principalement du diamètre des bulles et des vitesses du gaz et du liquide. Ce travail expérimental est complété par l’établissement de corrélations des paramètres d’intérêt dans les conditions d’OVH, éléments pertinents pour le dimensionnement de procédés OVH fonctionnant en continu. / Wet Air Oxidation (WAO) is a process dedicated to degrade the organic matter contained in wastewater with the help of an oxidation reaction. WAO works at high pressure (10 – 30 MPa) and high temperature (373 – 613 K) using oxygen from air as oxidiser. WAO processes are carried out in bubble column reactors in order to maximise both the liquid residence time and the mass transfer of oxygen from the gas to the liquid, one of the key element of the process. The lack of available data and correlations, needed for the prediction of the parameters governing mass transfer in bubble columns working in WAO conditions, is then penalising. Measurements of gas holdup, bubble diameters and interfacial area in clear water and in presence of a pollutant (phenol), in reactive and non-reactive conditions, show major effects of superficial gas velocity, phenol concentration and saturation of the gas by water vapor. The primary bubble, formed at the gas distributor, and the column diameter, are important design parameters for the process optimisation. Measurement of the mass transfer coefficient by a new chemical technique using phenol oxidation shows that it depends primarily on the bubble diameter and on the gas and liquid velocities. This experimental work is completed by the development of correlations of the key parameters in WAO conditions, providing relevant elements for the design of WAO units working in continuous mode.

Le bicarbonate de soude raffiné, produit industriellement par la société Solvay, est fabriqué dans des colonnes à bulles de grande taille, appelées les colonnes BIR.<p>Dans ces colonnes, une phase gazeuse contenant un mélange d’air et dioxyde de carbone (CO2) est dispersée sous forme de bulles dans une solution aqueuse de carbonate et de bicarbonate de sodium (respectivement Na2CO3 et NaHCO3). Cette dispersion donne lieu à un transfert de CO2 des bulles vers la phase liquide. Au sein des colonnes, la phase gazeuse se répartit dans deux populations de bulles :des petites bulles (diamètre de quelques mm) et des grandes bulles (diamètre de quelques cm). Le transfert bulle-liquide de CO2 est couplé à des réactions chimiques prenant place en phase liquide, qui conduisent à la conversion du Na2CO3 en NaHCO3. Une fois la concentration de saturation dépassée le NaHCO3 précipite sous forme de cristaux et un mélange liquide-solide est recueilli à la sortie de ces colonnes.<p>Ce travail, réalisé en collaboration avec la société Solvay, porte sur l’étude et la modélisation mathématique des phénomènes de transfert de matière entre phases, couplés à des réactions chimiques, prenant place au sein d’une colonne BIR. L’association d’études sur des colonnes à bulles à l’échelle industrielle ou réduite (pilote) et d’études plus fondamentales sur des dispositifs de laboratoire permet de développer une meilleure compréhension du fonctionnement des colonnes BIR et d’en construire un modèle mathématique détaillé.<p>L’objectif appliqué de ce travail est la mise au point d’un modèle mathématique complet et opérationnel d’une colonne BIR. Cet objectif est supporté par trois blocs de travail, dans lesquels différents outils sont développés et exploités.<p><p>Le premier bloc est consacré à la modélisation mathématique du transfert bulle-liquide de CO2 dans une solution aqueuse de NaHCO3 et de Na2CO3. Ce transfert est couplé à des réactions chimiques en phase liquide qui influencent sa vitesse. Dans un premier temps, des modèles sont développés selon des approches unidimensionnelles classiquement rencontrées dans la littérature. Ces approches passent par une idéalisation de l’écoulement du liquide autour des bulles. Une expression simplifiée de la vitesse du transfert bulle-liquide de CO2, est également développée et validée pour le modèle de colonne BIR.<p>Dans un second temps, une modélisation complète des phénomènes de transport (convection et diffusion), couplés à des réactions chimiques, est réalisée en suivant une approche bidimensionnelle axisymétrique. L’influence de la vitesse de réactions sur la vitesse de transfert est étudiée et les résultats des deux approches sont également comparés.<p><p>Le deuxième bloc est consacré à l’étude expérimentale du transfert gaz-liquide de CO2 dans des solutions aqueuses de NaHCO3 et de Na2CO3. A cette fin, un dispositif expérimental est développé et présenté. Du CO2 est mis en contact avec des solutions aqueuses de NaHCO3 et de Na2CO3 dans une cellule transparente. Les phénomènes provoqués en phase liquide par le transfert de CO2 sont observés à l’aide d’un interféromètre de Mach-Zehnder.<p>Les résultats expérimentaux sont comparés à des résultats de simulation obtenus avec un des modèles unidimensionnels développés dans le premier bloc. De cette comparaison, il apparaît qu’une mauvaise estimation de la valeur de certains paramètres physico-chimiques apparaissant dans les équations de ce modèle conduit à des écarts significatifs entre les grandeurs observées expérimentalement et les grandeurs estimées par simulation des équations du modèle.<p>C’est pourquoi une méthode d’estimation paramétrique est également développée afin d’identifier les valeurs numériques de ces paramètres physico-chimiques sur base des résultats expérimentaux. Ces dernières sont également discutées.<p><p>Dans le troisième bloc, nous apportons une contribution à l’étude des cinétiques de précipitation du NaHCO3 dans un cristallisoir à cuve agitée. Cette partie du travail est réalisée en collaboration avec Vanessa Gutierrez (du service Matières et Matériaux de l’ULB).<p>Nous contribuons à cette étude par le développement de trois outils :une table de calcul Excel permettant de synthétiser les résultats expérimentaux, un ensemble de simulations de l’écoulement au sein du cristallisoir par mécanique des fluides numérique et une nouvelle méthode d’extraction des cinétiques de précipitation du NaHCO3 à partir des résultats expérimentaux. Ces trois outils sont également utilisés de façon combinée pour estimer les influences de la fraction massique de solide et de l’agitation sur la cinétique de germination secondaire du NaHCO3.<p><p>Enfin, la synthèse de l’ensemble des résultats de ces études est réalisée. Le résultat final est le développement d’un modèle mathématique complet et opérationnel des colonnes BIR. Ce modèle est développé en suivant l’approche de modélisation en compartiments, développée au cours du travail de Benoît Haut. Ce modèle synthétise les trois blocs d’études réalisées dans ce travail, ainsi que les travaux d’Aurélie Larcy (du service Transferts, Interfaces et Procédés de l’ULB) et de Vanessa Gutierrez. Les équations modélisant les différents phénomènes sont présentées, ainsi que la méthode utilisée pour résoudre ces équations. Des simulations des équations du modèle sont réalisées et discutées. Les résultats de simulation sont également comparés à des mesures effectuées sur une colonne BIR. Un accord raisonnable est observé.<p>A l’issue de ce travail, nous disposons donc d’un modèle opérationnel de colonne BIR. Bien que ce modèle doive encore être optimisé et validé, il peut déjà être utilisé pour étudier l’effet des caractéristiques géométriques des colonnes BIR et des conditions appliquées à ces colonnes sur le comportement des simulations des équations du modèle et pour identifier des tendances.<p>//<p>The refined sodium bicarbonate is produced by the Solvay company using large size bubble columns, called the BIR columns.<p>In these columns, a gaseous phase containing an air-carbon dioxyde mixture (CO2) is dispersed under the form of bubbles in an aqueous solution of sodium carbonate and sodium bicarbonate (Na2CO3 and NaHCO3, respectively). This dispersion leads to a CO2 transfer from the bubbles to the liquid phase. Inside these columns, the gaseous phase is distributed in two bubbles populations :small bubbles (a few mm of diameter) and large bubbles (a few cm of diameter).<p>The bubble-liquid CO2 transfer is coupled with chemical reactions taking places in the liquid phase that leads to the conversion of Na2CO3 to NaHCO3. When the solution is supersaturated in NaHCO3, the NaHCO3 precipitates under the form of crystals and a liquid-solid mixture is extracted at the outlet of the BIR columns.<p>This work, realized in collaboration with Solvay, aims to study and to model mathematically the mass transport phenomena between the phases, coupled with chemical reactions, taking places inside a BIR column. Study of bubble columns at the industrial and the pilot scale is combined to a more fundamental study at laboratory scale to improve the understanding of the BIR columns functioning and to develop a detailed mathematical modeling.<p>The applied objective of this work is to develop a complete and operational mathematical modeling of a BIR column. This objective is supported by three blocks of work. In each block, several tools are developed and used.<p><p>The first block is devoted to the mathematical modeling of the bubble-liquid CO2 transfer in an NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solution. This transfer is coupled with chemical reactions in liquid phase, which affect the transfer rate.<p>In a first time, mathematical models are developed following the classical one-dimensional approaches of the literature. These approaches idealize the liquid flow around the bubbles. A simplified expression of the bubble-liquid CO2 transfer rate is equally developed and validated for the BIR column model.<p>In a second time, a complete modeling of the transport phenomena (convection and diffusion) coupled with chemical reactions is developed, following an axisymmetrical twodimensional approach. The chemical reaction rate influence on the bubble-liquid transfer rate is studied and the results of the two approaches are then compared.<p><p>The second block is devoted to the experimental study of the gas-liquid CO2 transfer to NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solutions. An experimental set-up is developed and presented. CO2 is put in contact with NaHCO3 and Na2CO3 aqueous solutions in a transparent cell. The phenomena induced in liquid phase by the CO2 transfer are observed using a Mach-Zehnder interferometer.<p>The experimental results are compared to simulation results that are obtained using one of the one-dimensional model developed in the first block. From this comparison, it appears that a wrong estimation of some physico-chemical parameter values leads to significative differences between the experimentally observed quantities and those estimated by simulation of the model equations. Therefore, a parametric estimation method is developed in order to estimate those parameters numerical values from the experimental results. The found values are then discussed.<p><p>In the third block is presented a contribution to the NaHCO3 precipitation kinetic study in a stirred-tank crystallizer. This part of the work is realized in collaboration with Vanessa Gutierrez (Chemicals and Materials Department of ULB).<p>Three tools are developed :tables in Excel sheet to synthetize the experimental results, a set of simulations of the flow inside the crystallizer by Computational Fluid Dynamic (CFD) and a new method to extract the NaHCO3 precipitation kinetics from the experimental measurements. These three tools are combined to estimate the influences of the solid mass fraction and the flow on the NaHCO3 secondary nucleation rate.<p><p>Finally, the synthesis of all these results is realized. The final result is the development of a complete and operational mathematical model of BIR columns. This model is developed following the compartmental modeling approach, developed in the PhD thesis of Benoît Haut. This model synthetizes the three block of study realized in this work and the studies of Aurélie Larcy (Transfers, Interfaces and Processes Department of ULB) and those of Vanessa Gutierrez. The equations modeling the phenomena taking place in a BIR column are presented as the used method to solve these equations. The equations of the model are simulated and the results are discussed. The results are equally compared to experimental measurement realized on a BIR column. A reasonable agreement is observed.<p>At the end of this work, an operational model of a BIR column is thus developed. Although this model have to be optimized and validated, it can already be used to study the influences of the geometrical characteristics of the BIR columns and of the conditions applied to these columns on the behaviour of the model equation simulations and to identity tendencies. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished