La formation de mousse est fréquente dans les procédés industriels gaz-liquide et souvent indésirable car elle peut engendrer des problèmes opérationnels et de productivité. Les agents antimousses chimiques, bien que couramment utilisés, peuvent perturber le transfert de masse, la cinétique réactionnelle et la qualité des produits, tout en posant des contraintes réglementaires dans des secteurs sensibles comme la pharmacie, l’agroalimentaire et la biotechnologie. Les méthodes mécaniques, telles que les brises-mousses (en ligne ou près de l’interface mousse-liquide), offrent des alternatives mais agissent après formation de la mousse, avec une forte consommation énergétique et des coûts supplémentaires. Ainsi, le contrôle du moussage via les conditions hydrodynamiques reste un enjeu industriel majeur.
Cette étude expérimentale explore l’influence des conditions opératoires, de la géométrie et des propriétés du liquide sur la formation de mousse dans des réacteurs agités gaz-liquide. Les effets du type d’agitateur (turbine et hélice), du débit de gaz, de la vitesse de rotation, de la hauteur d’implantation du mobile, du type de diffuseur (anneau et diffuseur à bulles fines), de la concentration en tensioactif et de la viscosité du liquide ont été étudiés dans différents régimes d’écoulement. La mesure de la hauteur de mousse a servi d’indicateur, associée à des mesures classiques (consommation de puissance, taux de rétention gazeuse, taille et vitesse des bulles) et aux aspects physico-chimiques.
Les résultats montrent que le régime d’écoulement gaz-liquide, dépendant de la vitesse d’agitation, du débit de gaz et de la capacité de dispersion des bulles, joue un rôle clé. Les bulles de petite taille génèrent davantage de mousse et un taux de rétention de gaz plus élevé, tandis que les grosses bulles limitent ces phénomènes. La quantité de mousse augmente avec la vitesse d’agitation lors du passage du régime de chargement à celui de dispersion totale, puis diminue à vitesse élevée par la réincorporation des bulles dans le liquide.
Le type de mobile d’agitation et le diffuseur influencent fortement la taille des bulles, la dispersion du gaz et la stabilité de la mousse. L’hélice fonctionnant en pompage vers le haut associée à un diffuseur annulaire s’avère la plus efficace pour limiter la mousse en favorisant la réincorporation des bulles. La hauteur d’implantation de l’agitateur a un effet limité : une position près du fond augmente légèrement la hauteur de mousse, une position plus haute n’a pas d’impact significatif. La viscosité du liquide a un effet non linéaire, la hauteur de mousse augmentant jusqu’à environ 10 mPa·s, avant de diminuer. Cela traduit un compromis entre drainage réduit et petites bulles à viscosité modérée, et la baisse d’efficacité de dispersion à viscosité élevée. L’augmentation de la concentration en tensioactif accroît quant à elle systématiquement la formation et la stabilité de la mousse.
Des corrélations adimensionnelles ont été établies pour prédire la hauteur de la mousse selon les conditions opératoires, intégrant les nombres de Reynolds, Weber, Froude, d’aération et l’implantation de l’agitateur. Ces modèles décrivent assez correctement les tendances observées à l’échelle du laboratoire.
Enfin, l’étude a été étendue à un réacteur de plus grande taille pour évaluer plusieurs lois de changement d’échelle (invariants opératoires) : vitesse périphérique, puissance volumique, vitesse superficielle de gaz et nombre d’aération. Les prédictions ne donnent pas entière satisfaction ce qui rappelle la complexité des phénomènes mis en oeuvre et les limites des approches monovariables. Cependant, les connaissances acquises à petite échelle sont précieuses pour mieux maîtriser la formation de mousse à l’échelle industrielle. |
Foam formation is common in industrial gas-liquid processes and is often undesirable as it can cause operational and production issues. Chemical antifoaming agents are frequently used but may disrupt mass transfer, reaction kinetics, and product quality while posing regulatory concerns in industries such as pharmaceuticals, food, and biotechnology. Mechanical methods, such as inline foam breakers or impellers near the foam-liquid interface, offer alternatives but act after foam has formed, resulting in higher energy demands and equipment costs. Controlling foam formation through optimized hydrodynamics and equipment design is therefore of significant industrial interest.
This study experimentally investigates how process operating conditions, equipment geometry, and liquid properties influence foam formation in gas-liquid stirred tank reactors. The effects of gas flow rate, impeller type (radial, down- and up-pumping axial flow), rotational speed, impeller clearance, sparger type (ring sparger and fine bubble diffuser), surfactant concentration, and liquid viscosity were systematically studied across various flow regimes. Foam formation was quantified using foam height measurements and analyzed with hydrodynamic data, including power consumption, gas holdup, bubble size, and bubble velocity, along with known physicochemical effects on foam formation.
The results show that the impeller speed, gas flow rate, and bubble dispersion capacity play a central role. Conditions producing smaller bubbles lead to more foam and higher gas holdup, while larger bubbles reduce both. Foam quantity rises with impeller speed as the system transitions from flooding to full dispersion, but drops at excessive speeds due to bubble reincorporation from the foam layer.
Impeller type and sparger design significantly influenced bubble size, gas dispersion, and foam behaviour. The up-pumping axial impeller with a ring sparger most effectively reduced foam formation, promoting bubble reincorporation. Impeller clearance had a minor effect: lower clearances slightly increased foam height, while higher clearances were negligible. Liquid viscosity showed a non-monotonic influence, with foam height peaking near 10 mPa·s, then decreasing. This reflects a balance between reduced drainage and bubble size at moderate viscosities versus lower dispersion efficiency and foam stability at higher viscosities. Increasing surfactant concentration consistently enhanced foam formation and stability.
Dimensionless-based correlations were developed to predict equilibrium foam height under varying conditions, incorporating Reynolds, Weber, Froude, Aeration numbers, and impeller clearance effects. These models captured foam trends relatively well in laboratory-scale stirred tanks.
The study was extended to a larger tank to assess different scaling rules (operating invariants) such as constant tip speed, power per unit volume, gas superficial velocity, and aeration number. None fully reproduced lab-scale foam behaviour, highlighting the complexity of scaling foam phenomena and limitations of single-parameter scaling laws. However, the knowledge attained at the small scale is highly important for reliable foam control in industrial gas-liquid mixing processes.
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