Etude hydrodynamique et transfert de matière gaz-liquide dans un réacteur Airlift rectangulaire à circulation interne appliqué au traitement de déferrisation de l'eau

Abstract

Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à l’étude d’un réacteur de type Airlift rectangulaire à boucle interne à l’échelle pilote. L’objectif de ce sujet de recherche est de déterminer les performances hydrodynamiques et de transfert de matière gaz-liquide du réacteur ainsi que son potentiel d’application dans le cas de la déferrisation des eaux. Pour atteindre les objectifs fixés, l’étude a comporté trois parties. La première partie concerne la caractérisation de l’hydrodynamique des phases en écoulement dans le réacteur. Une étude des paramètres hydrodynamiques globaux a été entreprise : rétention du gaz, vitesse de circulation du liquide et temps de mélange tant en milieu biphasique (air-eau et air-solutions d’alcools) que triphasique (gaz-liquide-solide) Les résultats montrent que l’augmentation du débit d’air injecté au sein du réacteur entraîne un accroissement de la rétention gazeuse. Cette dernière est reliée à la vitesse superficielle du gaz par 1,27*Ugr¹’⁰⁶. La vitesse de circulation du liquide (ULd) ainsi que le temps de mélange présentent un comportement différent. U ULd augmente dans un premier temps en fonction de la vitesse superficielle du gaz jusqu’à une vitesse du gaz critique Ugr = 0,33 m/s puis atteint une valeur constante de l’ordre de 26 à 28 cm/s. Par ailleurs, la présence du solide et des alcools modifie le comportement hydrodynamique du réacteur. Le solide a été utilisé sous forme de particules de 700 µm de diamètre et d’une densité de 1220 kg.m⁻³, la présence de celui-ci affecte la rétention gazeuse de manière différente selon la charge introduite dans le réacteur. En présence de produits inhibiteurs de coalescence (alcools), la rétention globale du gaz augmente ; cet effet dépend de la nature et la concentration de l’alcool ajouté. Il s’est avéré que le méthanol est l’alcool qui ale moins d’effet sur l’hydrodynamique. La deuxième partie a concerné la détermination et l’analyse des performances du réacteur en termes d’énergie dissipée et de transfert gaz-liquide de l’oxygène. Ce dernier a été caractérisé par le biais du coefficient de transfert de matière KLaL mesuré par la méthode de l’oxygénation dynamique. Les valeurs de KLaL obtenues sont proportionnelles à Ugr¹’²⁸ pour le cas du système biphasique air-eau. Ainsi, il a été mis en évidence que l’ajout des produits inhibiteurs de coalescence altère les performances de transfert d’oxygène puisqu’une baisse KLaL de a été observé. Quant au système triphasique, l’influence négative de la présence du solide apparaît dès les faibles charges en solide et n’augmente plus. La dernière du mémoire a porté sur l’évaluation de la viabilité technique et des performances du réacteur dans le cas du traitement des eaux chargées en fer par oxydation avec l’oxygène de l’air. Les essais ont été menés selon deux modes de fonctionnement : phase liquide en système fermé et ouvert. Les conditions opératoires optimales de la réaction ont été déterminées dans la première configuration. En système fermé, les essais ont permis de conclure que la cinétique d’oxydation dépend fortement du pH du milieu et de la concentration initiale en fer. Il s’est avéré que la réaction d’oxydation du fer ferreux est auto-catalytique, le produit de la réaction accélère sa vitesse et participe favorablement au processus de traitement. Un modèle cinétique intégrant cet effet catalytique, nous a permis de déterminer les constantes de la réaction. Des constantes de l’ordre de 0,08 min⁻¹ et 0,006 l/mg.min ont été obtenues. Le calcul du nombre de Hatta a montré que la réaction d’oxydation du fer ferreux se situe dans le régime à réaction lente. Ce résultat est confirmé par la variation du débit du gaz injecté qui semblait n’avoir aucun effet sur la réaction d’oxydation du fer ferreux. Ainsi, il apparaît que le transfert d’oxygène est facile et n’est pas un facteur limitant. En système ouvert, le taux d’élimination dépend surtout du débit d’alimentation et de la concentration en fer dans l’effluent. Le régime permanent est établi après 15 in presque dans tous les cas. Pour un temps de passage variant entre 40 et 150 min, le rendement varie de 82 à 94%.