Les faits à portée de main : la dispersion des gaz dans les liquides

1er septembre 2022 | Par Scott Jenkins, magazine de génie chimique

L'injection de gaz à travers un diffuseur dans un liquide est un aspect important de nombreuses opérations dans les industries de procédés chimiques (CPI). Les applications importantes incluent la dissolution des gaz réactifs dans une phase liquide pour une réaction ultérieure (comme dans l'hydrogénation, l'oxydation, l'ozonation), ainsi que la carbonatation des boissons, la stimulation des processus de fermentation (Figure 1), l'aération des eaux usées pour le traitement, l'extraction de l'air ou l'oxygène des produits chimiques, l'élimination des composés organiques volatils (COV) des produits chimiques liquides, l'élimination de l'humidité des carburants et autres. Cette référence d'une page fournit des informations sur les principaux aspects de la diffusion des gaz dans les liquides, y compris le taux de transfert de masse, les effets d'agitation et le choix de l'équipement.

FIGURE 1. Dans un exemple d'application de barbotage de gaz, une barre de diffusion au fond du réservoir libère de l'oxygène pour stimuler un processus de fermentation

L'objectif principal d'un système d'aspersion est d'augmenter l'efficacité du transfert de masse gaz-liquide (un rapport entre la quantité de composant gazeux actif dissous dans le liquide et la quantité de gaz injecté). Une faible efficacité de transport de masse conduit à un taux d'injection de gaz élevé. Dans ce cas, l'augmentation du volume de gaz augmente le coût pour obtenir les résultats souhaités. L'efficacité du transfert de masse gaz-liquide est principalement contrôlée par la résistance au transfert de masse de la phase liquide.

Un transfert de masse rapide et efficace est corrélé à la propagation de bulles fines, ce qui augmente la surface de gaz en contact avec le liquide.

Les matériaux métalliques poreux ou céramiques créent de fines bulles selon les exigences de l'application. Les matériaux poreux permettent le passage de grands volumes de gaz avec une surface spécifique très élevée. Par exemple, à volumes de gaz égaux, des bulles de 1 mm auraient 6,35 fois plus de surface de contact gaz-liquide que des bulles de 6,35 mm (1/4 po) [2].

Le taux de transfert de masse gaz-liquide par unité de volume est calculé à l'aide de : KLa(C* – C), où KL est le coefficient de transfert de masse en phase liquide qui dépend de la diffusivité, de la viscosité du liquide, de la température et du mélange ; a est l'aire interfaciale des bulles de gaz en contact avec le liquide ; C* est la concentration saturée du gaz dans le liquide ; et C est la concentration dans le liquide en vrac.

En faisant barboter de petites bulles de gaz avec un rapport surface/volume élevé dans le liquide, la zone interfaciale a est augmentée et le taux de transfert de masse de gaz est amélioré. La force motrice de transfert de masse (C * - C) a également un impact important sur le taux de dissolution du gaz, car le gaz de haute pureté est utilisé à la place du gaz de pureté inférieure. Par exemple, la concentration saturée d'oxygène dans l'eau à partir d'oxygène pur est cinq fois supérieure à celle de l'air, ce qui entraîne une forte augmentation du taux de dissolution de l'oxygène avec de l'oxygène pur.

Les spargers sont choisis en fonction de la conception et des conditions de fonctionnement du procédé Le type et la configuration du sparger utilisé dépendent de facteurs tels que le fait qu'un procédé soit un procédé continu ou discontinu, ainsi que le débit de gaz, la taille du réservoir, l'agitation mécanique, le fonctionnement pression et température.

Matériaux de construction. Les spargers en métal sont utilisés dans des conditions de haute température, corrosives ou oxydantes, tandis que les spargers en céramique sont suffisants pour des conditions douces.

Vitesse de sortie des gaz. La vitesse de sortie du gaz à la surface du sparger est un critère de conception important pour la sélection du sparger. Le débit volumétrique de gaz réel pour la vitesse de sortie est calculé à l'aide de la pression (P) qui est la somme de la pression de l'espace de tête du réservoir (PHeadspace), de la pression de tête de liquide au sparger (PLiquid) et de la chute de pression à travers l'élément du sparger (ΔP). La surface minimale de l'arroseur est basée sur la limite de vitesse de sortie du gaz pour le procédé.

La limite de vitesse de sortie est la plus basse pour l'opération de barbotage statique lorsqu'il n'y a pas d'agitation mécanique de la phase liquide. Pour le barbotage de réservoir agité et le barbotage dynamique, où le liquide a une vitesse forcée élevée le long de la surface du barboteur, les limites de vitesse de sortie du gaz sont nettement plus élevées, nécessitant des barboteurs plus petits pour le même débit de gaz. La limite de vitesse de sortie pour le barbotage du réservoir agité et le barbotage dynamique dépend de la vitesse de la turbine et de la vitesse du liquide, respectivement.

Effets d'agitation. Outre l'utilisation d'un diffuseur correctement conçu, il est important de se concentrer sur le mélange de gaz et de liquide. Dans les applications de procédés chimiques, la cuve du réacteur est souvent fermée, de sorte que les gaz de haute pureté n'ayant pas réagi, tels que l'hydrogène ou l'oxygène, ne soient pas évacués à travers le système. Dans ces applications, des turbines de mélange spécialement conçues sont utilisées, en fonction des conditions de fonctionnement du réacteur. En règle générale, une turbine à roue est située au-dessus du diffuseur pour cisailler et disperser les bulles de gaz. Une agitation à la surface du liquide peut également être nécessaire pour entraîner le gaz de l'espace de tête dans la phase liquide.

Dimensionnement du diffuseur. La taille d'un diffuseur dépend en grande partie de la vitesse de sortie superficielle du gaz depuis la surface poreuse du diffuseur. Cette valeur est calculée à partir des pieds cubes réels par minute (ACFM) par pied carré de surface d'arrosage (ACFM/ft2). L'ACFM est calculé à la pression et à la température du liquide trouvées au sparger (l'ACFM n'est pas basé sur la pression du gaz)*.

Note de l'éditeur : Des parties du texte de cette colonne ont été adaptées de l'article suivant : Air Products Inc., Gas Sparging, Chem. Eng., septembre 2012, p. 21.

*Une référence supplémentaire est la publication suivante : Mott Corp., Gas-liquid Contacting Part Selector and Design Guide, www.mottcorp.com.