Étude expérimentale du transfert de matière et de l'équilibre entre phases dans un système gaz-liquide sous pression

¹ Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia, Ciudad Universitaria, Mexico 04515 D.F., Mexique.
² Laboratoire des Sciences du Génie Chimique CNRS-ENSIC, 1, rue Grandville, 54042 Nancy Cedex, Mexique.

Résumé

Cette étude porte sur l'influence de la pression sur la solubilité de CO₂ et N₂ dans l'eau ainsi que sur les paramètres de transfert de matière k_L et k_L a entre ces deux phases.

L'appareil utilisé est un contacteur agité fermé, fonctionnant en interface plane ou en autoaspiration. Les solubilités, ainsi que les coefficients de transfert de matière en phase liquide ont été déterminés par le suivi de la pression partielle en fonction du temps à une température constante de 303 K (méthode manométrique). Les pressions ont été variées de 0,1 à 5 MPa pour CO₂ et de 0,1 à 9 MPa pour N₂.

Les résultats indiquent que :

• —

  La solubilité du CO₂ dans l'eau ne suit plus la loi de Henry au-delà de 1 MPa et qu'il est nécessaire d'introduire un terme correctif.

• —

  A des faibles vitesses d'agitation, le transfert de matière peut être considérablement augmenté par l'addition d'un mobile d'agitation cylindrique à l'interface gaz-liquide. Cette augmentation, négligeable à des vitesses d'agitation élevées, semble provenir à la fois d’un gain d'aire interfaciale a et d'une augmentation du coefficient de transfert de matière k_L.

• —

  En absence de mobile d'agitation à l'interface, on peut distinguer les régimes d'aération de surface et d'autoaspiration dont le point de transition peut être déterminé graphiquement à partir de la courbe k_La en fonction de N. En présence du mobile à l'interface, seul le régime d'autoaspiration semble exister, quelque soit la vitesse d'agitation.

• —

  En régime d'aération de surface, la pression n'a aucun effet sur le coefficient de transfert de matière k_L.

• —

  En régime d'autoaspiration, le coefficient de transfert volumique k_La croît avec la pression. Cette influence, qui est d'autant plus importante que la vitesse d'agitation est élevée, traduit l'effet de la pression sur l'aire interfaciale plutôt que sur k_L.

• —

  A des vitesses d'agitation élevées, la longue mise en régime hydrodynamique du système au début de l'expérience rend difficile la détermination précise des paramètres de transfert de matière par cette méthode. Ce phénomène, mis en évidence par l'étude de l'évolution de k_La en régime transitoire, peut constituer une limitation importante à l'utilisation de la technique manométrique proposée, mais peut être évité par un choix judicieux du rapport des volumes de gaz et de liquide dans le réacteur.

Abstract

The effect of pressure on gas solubility and on liquid-side mass transfer parameters k_L and k_La has been studied. Attention was focused on the CO₂/H₂O and N₂/H₂O systems. Experiments were carried at 303 К and at pressures up to 5 MPa for the CO₂/H₂O system and up to 9 MPa for the N₂/H₂O system. Both gas solubilities and mass transfer coefficients were measured by the batch absorption technique. Moreover, the effect of pressure on mass transfer was studied over a wide range of stirring speeds N and for two different vessel geometries.

Our results show that CO₂ solubility in water cannot be described by Henry's law at pressures above 1 MPa but could be satisfactorily predicted by a modification of Henry's law where pressure effects are taken into account by a corrective term.

At low stirring speeds, with a flat interface, mass transfer can be substantially improved by adding a profiled impeller at the gas-liquid interface. This improvement results not only from a faster liquid renewal at the interface but also from a larger interfacial area.

When the profiled impeller is not used, there is a transition point between the flat interface and the bubble entrainment regimes; this critical stirring speed for interface breakage can be determined graphically from a k_La vs. N plot. When the interfacial impeller is added, such a transition does not occur and only the bubble entrainment regime seems to exist, regardless of the stirring speed.

Liquid-side mass transfer coefficients k_L are clearly not influenced by pressure over the range studied in the flat interface regime. On the other hand, in the bubble entrainment regime, the volumetric mass transfer coefficient k_La increases with pressure. This influence, certainly due to an effect of pressure on interfacial area a rather than on k_L, is greater at high stirring speeds.

At high stirring speeds the existence of an important hydrodynamic lag, during which k_La varies with time, makes it difficult to measure accurately mass transfer parameters by this method. This phenomenon appears as a serious drawback of the batch absorption technique, but can be avoided by a proper choice of V_L/V_G ratio.