Les principales unités de séparation utilisent des colonnes conventionnelles de séparation gravitationnelle. Alors que la gravité régit généralement les phénomènes internes de ces colonnes conventionnelles, la force centrifuge est une excellente alternative pour les nouveaux équipements de séparation. Le RPB est l'un des équipements d'intensification des procédés qui utilise la force centrifuge au lieu de la gravité. Les RPBs présentent de nombreux avantages par rapport aux équipements de séparation standards, attribuables d'une part à la fenêtre opérationnelle plus large offerte en raison de la vitesse de rotation qui est un degré de liberté supplémentaire et d'autre part au fait d'être insensible aux variations de la gravité de ce fait le RPB est donc un bon candidat pour les procédés embarqués. Ce travail de thèse a pour objectif d’une part d’améliorer la fiabilité des outils et méthodes de caractérisation d’un tel appareil et d’autre de proposer un design d’un nouvel interne spécifiquement conçu pour les RPB.
La première partie de cette thèse consiste en une comparaison quantitative des corrélations publiées pour l'estimation des différents paramètres de transfert de masse utilisés dans les études RPB, en particulier l’aire de contact gaz-liquide effective (𝑎𝑒), les coefficients de transfert de masse gaz/liquide (𝑘𝐺 et 𝑘𝐿), la perte de charge (ΔP) et la rétention de liquide (𝜀𝐿).
Dans une deuxième partie, une étude expérimentale rigoureuse des caractéristiques hydrodynamiques et de transfert de masse d'un lit garni rotatif (RPB) en tant que contacteur gaz-liquide a été menée. L'influence des principaux paramètres de fonctionnement du RPB et d'une propriété physico-chimique (viscosité) sur les caractéristiques hydrodynamiques et de transfert de masse a été explorée. Une approche quantitative simple et robuste a été proposée pour déterminer l'entraînement et l’engorgement des liquides dans les RPB, en complément des observations visuelles et des mesures de chute de pression.
Dans une troisième partie, un nouvel interne de RPB à base de fils est étudié. La diminution de la section de passage à mesure que l'on s'approche du centre du RPB a été prise en compte dans la conception du garnissage. Le garnissage a été conçu à partir d'une structure complexe basée sur le principe des structures cellulaires ouvertes périodiques dites POCS. Ainsi, la structure cellulaire ouverte périodique a été conçu pour favoriser les régimes hydrodynamiques avec la présence simultanée de gouttelettes et d'un film liquide ou uniquement de gouttelettes à des vitesses de rotation très élevées. En combinant un logiciel de CAO et la fabrication additive, un garnissage sur mesure pour le RPB a été conçu, réalisé et testé. Ce nouveau garnissage anisotrope a été appliquée à des expériences fondamentales utilisant un système air-eau à contre-courant dans une large gamme de vitesses de rotation allant de 100 à 1000 tr/min. Enfin, le comportement hydrodynamique du nouvel interne a été comparé à celui d’un interne standard commercial de RPB. Le nouveau garnissage a démontré qu'il s'agit d'un concept prometteur susceptible d'améliorer les processus de transfert de masse dans les RPB.
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Main separation operations unit use conventional gravitational separation columns. While gravity usually governs the internal phenomena of this conventional columns, centrifugal force is an excellent alternative for new separation equipment. The RPB is one of the process intensification equipment that uses centrifugal force instead of gravity. RPBs have many advantages over standard separation equipment, attributable on one hand to the broader operational window offered because of the rotation speed is an additional degree of freedom and on the other hand to be insensible to gravity variation so RPB is a good candidate for on-board processes. The aim of this thesis is to improve the reliability of the tools and methods for characterising such a device and to propose the design of a new packing specifically designed for RPB.
The first part of this thesis consists in a quantitative comparison of published correlations for estimating different mass transfer parameters utilized in RPB studies, specifically the effective gas-liquid contacting efficiency (𝑎𝑒), gas and liquid film mass transfer coefficients (𝑘𝐺 and 𝑘𝐿) pressure drop (ΔP) and liquid holdup (𝜀𝐿).
In a second part, a rigorous experimental study of the hydrodynamic and mass transfer characteristics of a rotating packed bed (RPB) as a gas-liquid contactor was conducted. The influence of the major operating and design parameters of the RPB and a physicochemical property (viscosity) of the working fluids on the hydrodynamic and mass transfer characteristics were explored. A simple and robust quantitative approach was proposed to determine liquid entrainment and flooding in RPBs which complements visual observations and pressure drop measurements.
In a third part, a new wire-based RPB packing is studied. The decrease of the cross-section as one approaches the center of the RPB was considered in the packing design. The packing was designed from a complex structure based on the periodic open cellular structures (POCS) principle. Hence, the RPB-tailored packing was designed to favor hydrodynamic regimes with the simultaneous presence of droplets and liquid film or only droplets at very high rotation speeds. By combining CAD software with additive manufacturing, a tailored packing for RPB has been design, produced and tested. This new anisotropic packing was applied to fundamental experiments using a counter current air-water system in a large range of rotation speed from 100 to 1000 rpm. Finally, the hydrodynamic behavior of the new packing was compared with that of a standard RPB packing. The new packing demonstrated that the design is a promising concept that could further enhance mass transfer processes in RPBs.
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