Abstract: Sodium bicarbonate is one of the major chemical compound used worldwide. We have studied the mechanisms presiding the crystallization of this product in order to identify the kinetic parameters. To be assured of the relevancy of our experimental results, we developed new and accurate measurement techniques to follow the supersaturation and to characterize the crystal morphologies of NaHCO3 like density measurement and images analysis. The systematic study of the mechanisms and the kinetic parameters of the crystallization of NaHCO3 has been conducted by the use of three different types of crystallizers conceived and built at the Department of Industrial Chemistry of ULB : a fluidized bed crystallizer, a classic MSMPR crystallizer and a bubble column. By this choice, we were able to thoroughly investigate the intrinsic phenomena occurring in the crystallization of NaHCO3 from the ideal condition to the conditions close to the industry. A NaHCO3 solution is typically a three components equilibrium, NaHCO3, Na2CO3 and CO2, depending on temperature. Our developed method of density measurement allows to measure continuously the supersaturation, during the crystallization. This method permits to neglect complex side effects due to Na2CO3 or dissolved mineral impurities. Density measurements are quick, sensitive and reliable. We have shown that the growth of sodium bicarbonate is widely controlled by a reaction step at 45°C (< 200 µm). A diffusion step controlled growth occurs however for large crystals (>300-425µm) which consume much less material than the small ones. We have shown that the secondary nucleation of NaHCO3 is principally dominated by the surface nucleation. The shape of the crystals obtained experimentally is in agreement with the theory, and strongly related to the size of the crystals and to the presence of impurities. Based on experience of NaHCO3 crystallization without introduction of impurity, we have demonstrated that Ca2+ and Mg2+ suppress crystallization kinetics. In the end, we have taken a brief look at the precipitation of NaHCO3 by gaz-liquid reaction in a bubble column. By a comparative and a fundamental approach, our experimental studies lead us to improve our understanding and the operational parameters of the NaHCO3 industrial refining process. Key words: Industrial crystallization, Sodium bicarbonate, Density measurement, Fluidized bed, MSMPR, Bubble column, Crystal growth, Nucleation Résumé: Le bicarbonate de sodium (NaHCO3) est un produit chimique important sur le marché mondial. Nous avons étudier les mécanismes de la cristallisation de ce produit afin d'en déterminer les paramètres cinétiques. Afin de garantir l'analyse la plus objective de ces phénomènes, nous avons développé des techniques de mesures originales pour la connaissance de la sursaturation et pour la caractérisation des cristaux de NaHCO3 par densimétrie et par analyse d’images. L'étude systématique des cinétiques et des mécanismes de cristallisation du NaHCO3 a été réalisée au moyen de trois cristallisoirs de conception différente, développés et construits au laboratoire du Service de Chimie Industrielle de l'ULB: un cristallisoir à lit fluidisé, un cristallisoir à cuve agitée MSMPR et une colonne à bulles. Ce choix nous a permis d'approfondir notre connaissance des phénomènes intrinsèques de la cristallisation du NaHCO3 dans des conditions idéales et des conditions proches des procédés industriels. Une solution de NaHCO3 est un système à l’équilibre à trois composantes, NaHCO3, Na2CO3 et CO2 fonction de la température. La mise au point de la méthode densimétrique a permis la mesure de la sursaturation en NaHCO3 en continu. Cette méthode permet de s’affranchir des complications introduites par la présence de Na2CO3 et des impuretés inorganiques en solution. Les mesures de masse volumique sont rapides, précises et sensibles. Nous avons démontré que la croissance du bicarbonate de sodium est largement dominé par l'étape de réaction à 45°C (< 200 µm). L'étape de diffusion intervient cependant dans la croissance de grands cristaux (>300-425µm) qui ne sont toutefois pas les plus grands consommateurs de matière. Nous avons mis en évidence que le mécanisme de la germination secondaire du NaHCO3 est principalement une germination secondaire vraie. La forme des cristaux obtenus est parfaitement en accord avec la théorie et dépend étroitement de la taille des cristaux mais également de la présence d'impuretés. En se basant sur les expériences de cristallisation du NaHCO3 sans introduction d’impuretés, nous avons démontré les effets de ralentissement des cinétiques de cristallisation d'ions tels que Ca2+ et Mg2+ . Nous avons enfin brièvement abordé la précipitation du NaHCO3 par réaction gaz-liquide dans une colonne à bulles. Cette approche expérimentale, comparative et fondamentale a permis d'affiner notre compréhension et d’optimiser un procédé industriel de raffinage du bicarbonate de sodium. Mots clés: Cristallisation industrielle, Bicarbonate de sodium, Densimétrie, Lit fluidisé, MSMPR, Colonne à bulles, Croissance des cristaux, Germination

Ce travail concerne la mesure et la caractérisation du transfert thermique à la paroi externe d'un faisceau de tube de refroidissement inséré dans des colonnes à bulles type " slurry ". La valeur du coefficient de transfert de chaleur est estimée à partir des équations de la chaleur. Une colonne de 0,15 m de diamètre et de 4 m de haut, équipée de deux tubes en U (3 cm de diamètre externe), a été utilisée pour mettre au point la métrologie nécessaire. L'eau a servi de fluide de refroidissement. Le mélange diphasique air-huile Syltherm XLT®, puis le mélange triphasique air-huile Syltherm XLT®-microbilles d'alumine poreuses (dS ~ 80 μm), ont servi de fluides modèles. L'incertitude de nos mesures a été estimée à environ 8 %. En système diphasique, les variations du coefficient de transfert de chaleur avec la vitesse superficielle du gaz ont pu être corrélées par une loi semblable à celle de Deckwer (1980). Cependant, la valeur de la constante de corrélation semble dépendre de l'orientation du faisceau de tubes par rapport à l'axe de la colonne. Un tel comportement n'a jamais été rapporté dans la littérature. L'écart du faisceau à un faisceau idéal (i.e. parfaitement droit et symétrique) peut être un paramètre crucial pour le transfert de chaleur. En système triphasique, la valeur du coefficient ne varie pas de façon significative jusqu'à une concentration massique d'environ 18,8 %, avant de diminuer d'environ 10 % pour une concentration massique de 21,3 %. Ce résultat est surprenant. Les variations rapportées dans la littérature sont en effet souvent contradictoires, mais toujours continues dans la gamme de concentrations testée. La métrologie mise au point a été implantée dans une colonne de 1 m de diamètre et de 5 m de haut, équipée de 24 tubes en U (6 cm de diamètre externe). Celle-ci est jugée représentative d'un réacteur pour le procédé Fischer-Tropsch. Les premiers résultats indiquent que la caractérisation thermique de l'installation sera plus délicate que pour la petite colonne

L’oxydation du cyclohexane est l’un des procédés les plus importants dans la chaîne de production du Nylon où l’oxygène et le cyclohexane entrent en contact pour former le cyclohexanol, la cyclohexanone puis l’acide adipique. Le rendement est influencé à la fois par le transfert de l’oxygène et par le mélange des réactifs en phase liquide. Des réacteurs de type colonne à bulles sont généralement utilisés pour fournir une aire interfaciale importante et garantir une agitation efficace en phase liquide. Cependant, la complexité des mécanismes impliqués (hydrodynamique, transfert, réaction, fort taux de vide) rend difficile la prédiction des performances des réacteurs. Ce travail est consacré à l’amélioration des lois de fermetures (quantité de mouvement et transferts) pour la modélisation Euler/Euler des réacteurs industriels utilisés pour le procédé d’oxydation du cyclohexane. Dans un premier temps, des expériences de laboratoire avec le système eau/air ont été réalisées jusqu’à de forts taux de vide (> 30%) pour mesurer les effets collectifs sur la force de traînée et le transfert de masse dans un essaim de bulles homogène. Les résultats ont confirmé que le coefficient de traînée des bulles augmente de manière significative avec le taux de vide alors que de manière surprenante l’effet est très faible sur le transfert. Dans un second temps, des expériences ont été réalisées avec le système cyclohexane/diazote dans des conditions industrielles (P = 1 - 20 bar, T = 30 - 150°C). L’analyse des résultats de transfert en condition industrielle a nécessité la simulation numérique directe du transfert à l’intérieur d’une bulle sphérique / Cyclohexane oxidation is one of the most important processes in the production line of Nylon, where oxygen and cyclohexane get in contact to produce cyclohexanol, cyclohexanone and then adipic acid. The production yield is influenced by both the oxygen transfer and the reactants mixing in liquid phase. Bubble column type reactors are usually used to provide a large interfacial area and efficient liquid phase agitation. However, the complexity of the mechanisms involved (hydrodynamic, transfer, reaction, high void fraction) makes it difficult to predict the performance of such reactors. This work is devoted to improve the associated closure laws of momentum and transfer equations used in Euler/Euler modelling of industrial reactors for cyclohexane oxidation. Bench-scale experiment for air-water system has been firstly carried out to measure the collective effects on the drag force and the mass transfer of a bubble in a homogenous bubble swarm with a high void fraction up to 30%. The results confirmed that bubble’s drag coefficient increases significantly with the void fraction. Meanwhile surprisingly, weak effect has been observed on the transfer. Nextly, pilot experiments with nitrogen-cyclohexane system have been performed under industrial conditions (P = 1 - 20 bar, T = 30 - 150°C). Analysis of the results of transfer under industrial conditions required finally direct numerical simulation of transfers inside a spherical bubble.

Les techniques de dépoussiérage les plus efficaces et largement utilisées pour séparer des particules ultrafines d’un fluide porteur sont les médias fibreux. Le principal problème est le colmatage du filtre qui induit une augmentation de la perte de charge dans le temps et nécessite donc un nettoyage régulier des médias (ou son remplacement). La séparation des particules ultrafines par voie liquide au moyen d’une colonne à bulles a été envisagée. L’influence des différentes conditions opératoires telles que la hauteur du liquide de piégeage, le débit de filtration, la taille des bulles et la présence d’un garnissage, sur la collecte des particules a été étudiée. Malgré des rendements de collecte inférieurs à ceux des filtres à fibres, les résultats expérimentaux montrent que les colonnes à bulles présentent des performances d’autant plus importantes que le niveau du liquide est élevé et que les orifices de bullage sont petits. Par ailleurs, si l’étude de l’influence de la vitesse de gaz à l’orifice sur l’efficacité de collecte des nanoparticules ne montre pas une tendance bien définie, la présence d’un garnissage dans le liquide de collecte permet d’augmenter significativement le temps de séjour des bulles dans la colonne et donc l’efficacité de collecte / The most effective and widely used dust separation techniques to separate ultrafine particles of a carrier fluid are fibrous media. The main problem is the clogging of the filter that induces a pressure drop increase over time and thus requires a regular cleaning of the media (or its replacement). In this context, the idea is to test bubble columns, which operate at a constant pressure drop, as an alternative to fibrous filters. This study proposes to investigate the influence of different operating conditions such as the liquid level, the air flow rate, the bubble size and the presence of beads, on the collection of ultrafine particles. Despite collection efficiencies lower than those of fibrous filters, experimental results show that bubble columns present high collection efficiency when the liquid level is high and bubbling orifices have low diameters. Besides, if gas velocity does not show an important influence on the collection e_ciency, the presence of beads in the liquid increases the residence time of the bubbles in the column and thus the collection efficiency

Ce travail est une investigation expérimentale de l’hydrodynamique, du transfert massique et du mélange induit par un panache de bulles dans des milieux de différentes viscosités. Dans l’industrie on est souvent confronté à des problèmes de transfert et de mélange d’une phase liquide et d’une phase gazeuse afin de provoquer des réactions chimiques ou biochimiques. La plupart du temps on utilise des colonnes à bulles, simple à mettre en œuvre, pour ce type de procédé. Mais il existe d’autres situations adaptées aux très grands volumes comme par exemple les bassins d’aération de traitement des eaux ou les méthaniseurs. Dans ce cas de figure, la répartition des injecteurs de gaz doit être adaptée aux dimensions du bassin et contribuer au mélange du liquide. Ceci est autant plus vrai pour le bioréacteur de méthanisation où l’état du liquide change en continu pendant la fermentation. Cependant, il y a un manque d'informations concernant l'hydrodynamique induit par l'injection de gaz en milieu visqueux. Afin de mieux comprendre l'écoulement, le transfert massique et finalement le mélange dans ces situations, il a été décidé d’étudier le cas d'un panache de bulles, généré par un seul injecteur dans des liquides de différentes viscosités. Pour cela des expériences ont été effectuées dans deux types de colonne à bulles avec injection centrale. Un grand nombre de méthodes métrologiques tel que la PIV, l’ombroscopie, différents capteurs etc. ont été utilisés. Une attention particulière a été donnée aux fluctuations à différentes échelles induit par le mouvement oscillatoire du panache de bulles. / This work is an experimental investigation on hydrodynamics, mass transfer and mixing induced by a bubble plume. In chemical engineering, people are often confronted to mixing problems of liquid and gas to create chemical or biochemical reactions. Most of the time, bubble column of big height compared to its diameter are used for such kind or processes.But there are also situations using large scale reactors like tanks for methanization or wastewater treatment. In such configurations, spargers must be adapted to reactor dimensions and fluid properties. This particularly important for methanization reactors since fluid properties are changing continuously during the fermentation. In order to understand hydrodynamics, mass transfer and mixing it is easier to study one single bubble swarm, or so called bubble plume, first.Different experiments were figured out in two different columns types. First one is a pseudo two dimensional column (6cm * 35 cm * 130cm ) allowing the application of optical metrological methods. Hence, the gas phase was studied via shadowgraphy and the liquid phase via PIV. Plus, light intensity measurements after dye injection were done. Besides, pressure sensors and oxygen probes were used.In this way, one could study the oscillating behavior, the corresponding characteristic frequency, mass transfer and mixing time scales. In order to analyze fluid properties, a copolymer called Breox was used. Plus, two different spargers generating different bubble shapes and sizes were applied to estimate their impact. Additional experiments in a cylindrical bubble column were performed at the HDZR in Germany. The same fluids and the same spargers were used to compare results from both geometries. Due to the difficulty to apply optical methods, a Wire-Mesh system recently developed at the HZDR was used to follow the bubble plume movement. Finally, first CFD simulations showing encouraging results are presented at the end of the manuscript.

Ce travail concerne la mesure et la caractérisation du transfert thermique à la paroi externe d’un faisceau de tube de refroidissement inséré dans des colonnes à bulles type « slurry ». La valeur du coefficient de transfert de chaleur est estimée à partir des équations de la chaleur. Une colonne de 0,15 m de diamètre et de 4 m de haut, équipée de deux tubes en U (3 cm de diamètre externe), a été utilisée pour mettre au point la métrologie nécessaire. L’eau a servi de fluide de refroidissement. Le mélange diphasique air-huile Syltherm XLT®, puis le mélange triphasique air-huile Syltherm XLT®-microbilles d’alumine poreuses (dS ~ 80 μm), ont servi de fluides modèles. L’incertitude de nos mesures a été estimée à environ 8 %. En système diphasique, les variations du coefficient de transfert de chaleur avec la vitesse superficielle du gaz ont pu être corrélées par une loi semblable à celle de Deckwer (1980). Cependant, la valeur de la constante de corrélation semble dépendre de l’orientation du faisceau de tubes par rapport à l’axe de la colonne. Un tel comportement n’a jamais été rapporté dans la littérature. L’écart du faisceau à un faisceau idéal (i.e. parfaitement droit et symétrique) peut être un paramètre crucial pour le transfert de chaleur. En système triphasique, la valeur du coefficient ne varie pas de façon significative jusqu’à une concentration massique d’environ 18,8 %, avant de diminuer d’environ 10 % pour une concentration massique de 21,3 %. Ce résultat est surprenant. Les variations rapportées dans la littérature sont en effet souvent contradictoires, mais toujours continues dans la gamme de concentrations testée. La métrologie mise au point a été implantée dans une colonne de 1 m de diamètre et de 5 m de haut, équipée de 24 tubes en U (6 cm de diamètre externe). Celle-ci est jugée représentative d’un réacteur pour le procédé Fischer-Tropsch. Les premiers résultats indiquent que la caractérisation thermique de l’installation sera plus délicate que pour la petite colonne / This work investigates the measure and characterisation of heat transfer in slurry bubble column reactors equipped with a bundle of cooling tubes. The value of the shell-tube heat transfer coefficient is estimated at thermal steady-state regime using heat transfer equations. A 15 cm in diameter, 4 m high bubble column, equipped with a two U-tubes (3 cm O.D.) bundle has been used to assess the metrology selected. The cooling fluid was water. Air-Syltherm XLT® heat transfer fluid and air-Syltherm XLT® heat transfer fluid-porous alumina particles (dS ~ 80 μm) were successively used as shell fluids. The uncertainty of our measures has been estimated to be around 8 %. The variations of the shell-tube heat transfer coefficient with superficial gas velocity can be modelled using the well-known correlation by Deckwer (1980). However, a smaller constant value than indicated by Deckwer et al. (1980) was obtained and it was found to be dependent upon the orientation of the tube bundle relatively to the column axis. This has never been reported in the literature and implies that any difference relatively to the ideal tube bundle – perfectly straight and symmetric – might be critical for heat transfer. Addition of solid particles has little effect on heat transfer for solid concentrations below 18.8 %w/w. A further increase up to 21.3 %w/w induced a 10 % decrease of the value of the shell-tube heat transfer coefficient. This was surprising, as existing literature results display continuous variations of the heat transfer coefficient values in the range of solid concentrations tested, even though trends of variation could be opposite. The assessed metrology was implemented into a 1 m in diameter, 5 m high bubble column equipped with a 24 U-tubes (6 cm O.D.) bundle. This pilot plant was considered to be large enough to mock up a slurry bubble column reactor for the Fischer-Tropsch process. First results indicate that thermal characterisation will be more complex than for the smaller diameter column

Cette thèse projetait d’étudier à la fois l’hydrodynamique et le transfert de masse dans les colonnes de pulvérisation et les colonnes à bulles, et de comparer leurs consommations de puissance spécifiques afin d’élaborer la directive de sélection pour les utilisations industrielles. Les résultats ont indiqué que la colonne à bulles avait une surface interfaciale spécifique plus grande que la colonne de pulvérisation lorsqu’on utilise un faible taux de charge de gaz. Dans cette plage de fonctionnement, la colonne à bulles produisait un coefficient de transfert de masse global plus élevé avec la même consommation d'énergie spécifique. Cependant, lorsqu’elle fonctionnait à un taux de charge de gaz élevé, la colonne de pulvérisation était meilleure que la colonne à bulles, car celle-ci consommait une plus grande consommation d’énergie, la chute de pression de la colonne à bulles étant principalement due au débit de gaz. En outre, cette recherche a également étudié l'effet de la phase solide sur l'hydrodynamique et le transfert de masse dans la colonne à bulles et la colonne de pulvérisation. En utilisant la méthode colorimétrique de l'expérience «bouteille rouge», il a été constaté que la collision bulle-particules diminuait le transfert de masse des bulles car la collision ralentissait les bulles, en particulier pour les petites bulles, du fait que la petite bulle perdait simplement leur vitesses de la collision. Cependant, l’introduction des particules présentait un avantage, car les particules solides pouvaient obstruer la bulle en hausse et réduire sa vitesse de montée. En conséquence, le temps de contact entre le gaz et le liquide est augmenté et conduit à une plus grande rétention de gaz, une zone interfaciale spécifique et donc un transfert de masse. / This thesis projected to investigate both hydrodynamics and mass transfer in both spray and bubble columns and comparing their specific power consumptions in order to develop the selection guideline for industrial usages. The results indicated that the bubble column had larger specific interfacial area than the spray column when using a small gas loading rate. At this range of operation, the bubble column yielded a higher overall mass transfer coefficient with the same specific power consumption. However, when operating at high gas loading rate, the spray column was the one better than the bubble column since the bubble column consumed larger power consumption as the pressure drop of the bubble column was mostly due to the gas flow. In addition, this research also studied the effect of the solid phase on the hydrodynamics and mass transfer in the bubble column and spray column. By using the colorimetric method of “red bottle” experiment, it was found that the bubble-particles collision diminished the mass transfer of bubbles because the collision slowed down the bubbles especially for the small bubbles due to the fact that the small bubble simply lost their velocities from the collision. However, there was an advantage of introducing the particles since solid particles could obstruct the rising bubble and reduced its rising velocity. Consequently, the contact time between gas and liquid is increased and resulted in a higher gas hold up, specific interfacial area and thus mass transfer.

Le but principal de cette étude était d'évaluer et de mieux comprendre l'impact de la vitesse superficielle de gaz et des propriétés de boues activées (BA), sur leur comportement rhéologique et le transfert de l'oxygène dans des bioréacteurs.Tout d'abord, la rhéologie des BA a été évaluée à l'aide d'un rhéomètre tubulaire, conçu et construit dans ce travail. Des mesures rhéologiques ont été effectuées avec des BA provenant de cinq stations d'épuration (STEP) et avec des concentrations en MES comprises entre 2.3 et 10.2 g L-1. Selon ces résultats, la rhéologie des BA est significativement déterminée par la concentration en matière en suspension (MES) mais d'autres caractéristiques liées à leur origine, tel que la taille, la cohésion et la densité du floc, peuvent aussi influencer la viscosité apparente des boues. Basé sur les rheogrames expérimentaux, le modèle rhéologique issu de cette étude est comparé à des modèles rhéologiques existants.Deuxièmement, le transfert d'oxygène a été évalué dans une colonne à bulles (Hc=4.4 m, Dc=0.29m) installée dans deux STEP: une installation classique et un bioréacteur à membrane. La colonne, alternativement équipée d'un diffuseur fines ou grosses bulles (FB, GB), a été alimentée en continu avec des BA extraites du réacteur d'aération, ou de la boucle de recirculation ou du réacteur membranaire. Pour des MES comprises entre 3.0 et 10.4 g L-1, le coefficient kLa a étéplus faible dans les BA que dans l'eau propre et encore réduit avec une augmentation des MES. Cette diminution est en partie attribuable à la réduction observée de la rétention de gaz (εG), associée à une augmentation de la viscosité apparente des boues, celle-ci entrainant une réduction de l'aire interfaciale spécifique (a) due à la coalescence de bulles et à la formation de bulles plus grosses. Aussi, la concentration des tensioactifs non ioniques, a montré un effetnégatif sur le coefficient kLa lors des tests d'oxygénation effectués en aération FB et faibles concentrations en MES. Cet impact n'a pas été observé dans des conditions d'aération GB, ce qui a été expliqué par le taux de renouvellement d’interface plus élevé généré par ces dernières. Enfin, le taux de cisaillement moyen exercé par l'essaim de bulles dans la colonne pendant les tests d’oxygénation a été théoriquement évalué compte tenu des conditions d’opération. Par lasuite, des corrélations empiriques ont été construites en utilisant des nombres adimensionnels et expriment le coefficient kLa en fonction de la vitesse superficielle de gaz et la viscosité apparente, tout en considérant sa dépendance du taux de cisaillement. Enfin, le facteur alpha est défini comme une loi de puissance décroissante en fonction de la viscosité apparente, pour des systèmes à faible chargé. / The main purpose of this study was to evaluate and better understand the impact of superficial gas velocity and activated sludge properties,on activated sludge rheology and oxygen transfer in bioreactors. First of all, activated sludge rheology was evaluated using a tubular rheometer, designed and constructed in this work. Rheological measurements were performed with activated sludge from five different wastewater treatment plants and with MLSS concentrations between 2.3 and 10.2 g L-1. Results showed that although the sludge rheology is significantly defined by the MLSS concentration, other sludge characteristics related to the sludge orign, such as such as floc size, floc cohesiveness and floc density also influence the sludge apparent viscosity. Existing rheological models were evaluated on the set of obtained experimental flow curves. Besides, the oxygen transfer is evaluated in a bubble column (Hc=4.4, Dc=0.29 m) installed in two different wastewater treatment plants: a conventional activated sludge plant (CAS) and a membrane bioreactor (MBR). The column, alternatively equipped with a fine or a coarse bubble diffuser (FB, CB), was continuously fed with activated sludge extracted either from the aeration tank, the recirculation loop or the membrane reactor. With MLSS concentrations from 3.0 to 10.4 g L-1, the kkllaa coefficient was lower in activated sludge than in clean water and still reduced with an increase of the MLSS concentration. This reduction is partially attributed to the observed reduction of gas holdup (εεɢɢ), associated with an increase in the sludge apparent viscosity (µµαααααα), which leads to a reduction of the specific interfacial area (αα) due to bubble coalescence and the formation of larger bubbles. Besides, the concentration of non-ionic surfactants, exhibited a negative effect on the κκιιαα coefficient for the oxygenation tests performed under FB aeration conditions and low MLSS concentration. This impact was not observed under CB aeration conditions, which was explained by the higher renewal rates generated by coarse bubbles. Finally, the mean shear rate exerted by the bubble swarm in the column during the oxygen transfer tests was theoretically evaluated considering the operating conditions. Subsequently, empirical correlations were constructed using dimensionless numbers and express the oxygen transfer coefficient as a function of the superficial gas velocity and the apparent viscosity, considering its shear rate dependence. Finally, alpha factor is defined as a power law decreasing function of the apparent viscosity, for low loaded activated sludge systems.

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.

Les colonnes à bulles sont utilisées en minéralurgie et en traitement des eaux pour capturer différents types de particules. Leur capacité d’échange bénéficie aujourd’hui d’un regain d’intérêt pour assurer la production de micro-algues destinées à un usage médicinal, alimentaire, ou énergétique : les concentrations d’oxygène et de dioxyde de carbone peuvent être contrôlées grâce à la considérable aire interfaciale gaz-liquide dans la colonne à bulles. Une étude expérimentale en boucle fermée a été menée pour simuler le passage du gaz dans une succession de colonnes en série. Le modèle théorique associé confirme le rôle critique du diamètre des bulles lors du transfert de masse. Un générateur de micro-bulles (MBG) innovant a été conçu et testé. Le prototype est capable de produire des micro-bulles d’un diamètre moyen Dbubble = 0.252 mm. L’invention a été officiellement déclarée. Le dernier chapitre a pour objet l’amélioration des méthodes de traitement de Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF), qui permettent d’obtenir les coefficients de transfert de masse kl. La première correction présentée prend en compte les variations de l’extinction de la fluorescence due au pH pendant la calibration et a été évaluée sur une mesure de concentration de CO2 dans le sillage d’une bulle en ascension libre dans une colonne d’eau. La seconde correction proposée doit être appliquée quand la distance de la région de mesure où les variations de pH sont observées augmente. La nécessité de cette correction a été illustrée par un cas test dans le sillage d’un nuage de bulles en ascension libre dans une colonne d’eau / Bubble column are involved in many industrial fields ranging from chemical industry to mineral processing. It recently became an industrial stake for the production of micro-algae intended for medicinal use, food or energy: the oxygen and carbon dioxide concentrations can be controlled via the efficient mass transfer induced by the significant gas-liquid interfaciale area into the bubble column. Firstly, experimental closed-loop study has been carried out to simulate the passage of gas in a succession of columns in series. The associated theoretical model confirms the critical importance of the bubble diameter for mass transfer.Therefore, an innovative Micro-Bubble Generator (MBG) has been designed and tested. The prototype is able to produce micro-bubbles of average diameter Dbubble = 0.252 mm. The invention has been officially declared. The last chapter aims at improving data treatment methods for Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF), which enables to obtain experimentally mass transfer coefficient kl through concentration measurements. The first presented correction takes into account variations of the fluorescence extinction due to pH during the calibration step, and has been evaluated on CO2 concentration measurement in the wake of a free rising bubble. The second proposed correction should be applied when the length in the measurement region over which pH variations are observed increases: variations of the extinction coefficient will affect the local incident light intensity and therefore the measurements. The need for this correction has been illustrated on a test case in the wake of a cloud of free rising bubbles