Contrôle d'ondes interfaciales au sein de films liquides tombants pour l'optimisation de procédés de distillation – wavyFILM

Le projet associera une recherche fondamentale, reposant sur des simulations numériques directes et des expériences sous conditions ambiantes, effectuées dans les laboratoires LIMSI et FAST du CNRS/Université Paris-Saclay, à des expériences cryogéniques proches des conditions réelles de la séparation de l’air au centre de recherche « Paris-Saclay » d’Air Liquide. Les simulations numériques diphasiques hautement résolues permettront de caractériser finement le transfert de masse/chaleur à travers la surface libre du film tombant. Des mesures optiques non intrusives de la topologie interfaciale du film ainsi que du champ de température associé permettront de valider ces simulations.
Ces méthodes auront pour but d’élucider les mécanismes régissant l’effet des ondes de surface sur le transfert inter-phases et sur différents scénarios d’engorgement. Cela permettra d’identifier les stratégies à adopter pour générer des régimes optimaux de films tombants. Ces stratégies seront confrontées aux expériences réalisées sous conditions cryogéniques afin d’estimer leur pertinence et viabilité dans le contexte de conditions d’opération proches des procédés réels. Un processus itératif appuyé sur ces trois méthodes permettra tout au long de la durée du projet de sélectionner les stratégies d’optimisation les plus robustes et efficaces.

À venir

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L’écoulement d’un film liquide est extrêmement sensible aux perturbations de sa surface libre, produisant des ondes de surface de forme complexe qui modifient significativement le transfert de quantité de mouvement et de chaleur/masse entre le liquide et le gaz environnant. Ce type d’écoulement intervient par exemple au sein des procédés de distillation et d’absorption, largement répandus dans le domaine du génie des procédés (raffineries pétrolières, usines chimiques et pétrochimiques, traitement de gaz naturel, usines de séparation de l’air par voie cryogénique). Ces deux procédés requièrent beaucoup d’énergie, typiquement entre 30% et 80% de l’énergie nécessaire pour fabriquer un produit chimique. Aux États-Unis, la distillation à elle seule est estimée être responsable pour 7% de la consommation totale d’énergie. Cependant, son taux d’efficacité global, de 11%, est relativement faible. Afin de faire face aux défis environnementaux actuels, l’enjeu majeur de l’industrie chimique dans le domaine de la distillation et de l’absorption est donc d’améliorer l’efficacité énergétique.

Une solution prometteuse pour réduire cette empreinte énergétique est d’augmenter l’efficacité du transfert de masse entre les phases liquide et gazeuse. Ce transfert inter-phases se produit dans des garnissages structurés consistant en un enchevêtrement de plaques ondulées, qui subdivisent la section d’une colonne de distillation en petits canaux étroits au sein desquels le liquide s’écoule le long des parois sous forme d’un film liquide tombant en contact ave un gaz s’écoulant à contre-courant. Le transfert de chaleur/masse se produit à travers la surface libre du film et peut ainsi être considérablement modifié en contrôlant les structures instationnaires qui y apparaissent sous la forme d'ondes de surface. En effet, ces ondes: (i) intensifient considérablement le transport convectif; (ii) émanent d’une instabilité et peuvent donc être contrôlées avec un apport d’énergie minimal; (iii) leur interaction non-linéaire modifie de manière importante le comportement d’ondes isolées.

D’un autre point de vue, les ondes de surface influencent l’interaction mécanique entre le film liquide et le gaz, pouvant engendrer des conditions critiques de fonctionnement comme par exemple l’engorgement du système. Dans ce cas, le liquide obstrue entièrement la section du canal ce qui augmente significativement la perte de charge associée. Au sein d’un garnissage structuré, l’engorgement peut se produire de deux manières : (i) au cœur des canaux dû à l’amplification des ondes de surface par le contre-écoulement de gaz; (ii) à la sortie des canaux, où le liquide est redistribué d’un garnissage à l’autre.

Les deux effets antagonistes évoqués précédemment constituent clairement un verrou scientifique que nous nous proposons de lever dans ce projet, axé sur l'étude de l'effet des ondes de surfaces sur le transfert inter-phases et l’engorgement au sein de films liquides tombants en interaction avec un gaz fortement confiné, Nous proposons d'accomplir cette tâche en élucidant l’effet des ondes sur ces mécanismes à l’aide de simulations numériques directes, qui seront conduites au LIMSI à Orsay, et de mesures expérimentales par méthodes optiques qui seront conduites au FAST à Orsay, le but étant d’identifier des régimes optimaux d'écoulements de films. Ces méthodes à haute résolution seront complétées par des expériences cryogéniques réalisées par le partenaire industriel, Air Liquide. Le projet rendra possible une conception beaucoup plus ambitieuse de garnissages structurés faisant intervenir des films tombants, permettant d'optimiser l’efficacité énergétique du procédé tout en évitant l'engorgement.