Développement d'un modèle compartimental pour le transfert de matière dans les colonnes à bulles

Parmi les réacteurs gaz-liquide, la colonne à bulles est largement utilisée dans les industries chimiques et biochimiques. Ce réacteur emblématique, qui est doté d'une géométrie relativement simple, offre un très bon transfert de matière et de chaleur. L'agitation du milieu réactionnel est assurée par l'ascension des bulles au sein de la phase liquide continue. Néanmoins, l'hydrodynamique s'avère complexe et bien que de nombreuses corrélations pour quantifier le transfert de matière ont été mises au point, la conception et la mise à l'échelle des colonnes à bulles demeurent des étapes ardues. À défaut d'avoir à disposition suffisamment d'informations sur l'hydrodynamique, l'hypothèse d'un mélange parfait est souvent émise afin d'établir les règles de mises à l'échelle, ce qui est fort rudimentaire. Cette hypothèse est clairement mise en défaut en pratique et particulièrement pour de grandes échelles industrielles. Une meilleure connaissance de l'hydrodynamique locale est alors nécessaire. Le développement de la mécanique des fluides numérique durant ces dernières décennies permet d'envisager la simulation de l'écoulement au sein de tels réacteurs afin d'accéder à l'hydrodynamique locale. Néanmoins, les capacités actuelles demeurent limitées pour tenir compte des phénomènes physiques complexes tels que la turbulence, les phénomènes de transfert et les réactions chimiques. Une option, utilisée dans ces travaux, consiste à combiner la simulation numérique (CFD) à un modèle compartimental (CM). La boîte à outils en libre accès OpenFOAM est utilisée afin de simuler l'écoulement avec la turbulence. Ensuite, différents compartiments sont construits en fonction d'une propriété de turbulence, à savoir le taux de dissipation d'énergie cinétique turbulente (ε). Finalement, dans chaque compartiment, les valeurs moyennes locales de diamètre de bulle et de coefficient de transfert de matière côté liquide sont évaluées. Cette approche énergétique n'a pas permis d'atteindre l'objectif escompté, les compartiments déterminés n'ont pas été jugés pertinents vis-à-vis des phénomènes physiques en jeu. La principale raison réside dans la faible énergie dissipée au sein des colonnes à bulles en régime homogène. Sans grande surprise, la variation de turbulence rencontrée dans les différentes zones de la colonne à bulles en régime homogène est faible. Par conséquent, il est difficile de définir précisément les compartiments sur le critère choisi pour ce réacteur et dans ce régime particulier. Finalement une autre option, basée sur le patron d'écoulement, a été jugée plus pertinente afin de bâtir les différents compartiments.

Abstract

Among all gas-liquid reactors, the bubble column reactor is widely used in chemical and biochemical industries. This well-known reactor, whose geometry is relatively simple, offers good mass and heat transfer. The mixing of the flow is generated by the rising of bubbles into the continuous liquid phase. Yet, even though a large amount of correlations has been developed to quantify mass transfer taking place in a bubble column reactor, its hydrodynamics is complex which the design and scale-up of such reactor a difficult task. Because of a lack of data on local hydrodynamics, a well-mixed assumption is generally considered to describe the flow for design and scale-up purpose. This hypothesis is clearly invalidated by experiments, especially for industrial scales. A better local hydrodynamics knowledge is thus required. The development of computational fluid dynamics (CFD) during the last decades triggered the emergence of a set of new tools to model bubble columns and unveil its local hydrodynamics. Yet, actual capabilities remain limited as one needs to take into account complex coupled phenomena, such as turbulence, mass and heat transfer, and reaction kinetics. One option, used in this present work, consists in combining computational fluid dynamics with compartment modeling (CM). The open source CFD toolbox OpenFOAM is used to model the turbulent two-phase flow taking place in the bubble column reactor. Then, different compartments are built using drastic changes in the dissipation rate of turbulent kinetic energy (ε) as a criterion. Next, in each compartment, averaged local values of bubble diameter and mass transfer coefficient in the liquid phase are estimated. This energetic methodology was not able to reach the objective of this project. This approach has not been found to be the most accurate for building the compartments. Not so surprisingly, the variation of turbulence in the different zones of the reactor in the homogeneous regime is low. This is the reason why it is hard to define compartments for such reactor in flow regime based on the criterion chosen. Another option, based on the flow pattern, has been found more accurate in order to build these compartments.