BEI / Vincent Bizouard et Anne Bruyat

Ecoulements monophasiques et multiphasiques dans des garnissages structurés

Cette partie présente les garnissages structurés servant à capturer le CO2, ainsi les écoulements ruisselant à la surface. Les résultats obtenus dans le cadre de la thèse de Yacine Haroun, ainsi que les images, sont pour cela utilisés.

Les écoulements possibles sur garnissage structuré

Les écoulements sur un plan incliné sont depuis longtemps étudiés, puisqu'en 1916 déjà, Nusselt proposait une solution exacte. On s'intéresse ici à un écoulement sur des plans inclinés, dont le sens alterne le long de l'écoulement.

L'écoulement évolue en fonction de certains paramètres exposés ci-dessous, et s'il peut se faire le long de la paroi, des zones d'accumulation peuvent apparaitre de telle façon que les corrugations sont alors remplies. L'écoulement peut alors se faire de façon quasi-verticale, puisque la figure 1 montre que ces zones d'accumulation sont des zones de recirculation.
Par soucis de maximisation de la surface d'échange entre le solvant et le gaz, il est préférable que les zones de recirculation n'existent pas, et ce projet étudie notamment la transition d'un régime à l'autre, pour un angle de corrugation différent de celui étudié par Y. Haroun.

Pour un rapport a/lambda constant, la transition du régime film liquide dépend du Reynolds et de a, l'amplitude de la corrugation. La figure ci-dessous présente la répartition de la nature du film selon le Reynolds, et a.

En augmentant le Reynolds de l'écoulement, défini d'après les études de Nusselt pour le plan incliné, on remarque que deux zones de recirculation apparaissent d'abord : l'une à l'angle extérieur de la corrugation, tandis que la seconde se forme dans l'angle intérieur. La transition s'achève lorsque ces deux zones de recirculation se rejoignent (Re = 78) et remplissent alors la corrugation.



Les paramètres de l'écoulement

Il a été mis en évidence qu'un certain nombre de paramètres physiques contrôlaient l'écoulement. En faisant une analyse dimensionnelle de l'écoulement, plusieurs nombres adimensionnels apparraissent. Les paramètres physiques indépendants sont les masses volumiques, viscosité, tension de surface, gravité, longueurs caractéristiques, coefficients de transfert et de diffusion, et concentration des espèces chimiques, et ce pour les deux phases. Dans une colonne à garnissage structurés, les ordres de grandeurs des nombres adimensionnels sont :


Pour notre étude spécifique, on considère qu'il n'y a pas de tension de surface, ni transfert de masse entre les deux phases. On modélise géométriquement ce qu'il se passe dans un élément de calcul :

Géométrie du garnissage


Les caractéristiques importantes du garnissage sont l'angle, la longueur et l'amplitude des canaux. En fixant l'angle, on obtient une relation entre la longueur et l'amplitude du canal.

Les expérimentations numériques de Y. Haroun l'ont amené à tracer une carte de configuration des cas pour lesquels on obtient une recirculation ou non. Ces cas dépendent du nombre de Reynolds du liquide ainsi que du rapport a/β, avec a défini sur la figure précédente et β l'épaisseur définie d'après la théorie de Nusselt pour les plans inclinés :



Carte de configuration


On peut trouver une épaisseur critique β_c pour laquelle on observe un changement de régime. Cette épaisseur critique est obtenue grâce à la pente de la droite qui sépare les deux régimes dans le graphe précédent.

Selon le régime, il existe une corrélation linéaire entre l'épaisseur moyenne constatée et l'épaisseur induite par le profil de Nusselt :


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