Characterization of two-phase flow in vacuum airlift. Application to suspended solids extraction
Caractérisation d’un écoulement diphasique dans un airlift sous dépression. Application pour l’extraction des matières solides en suspension
Résumé
Bubble columns are gas-liquid contactors widely used in industry, especially in chemical, biological and mineralogical process applications. In the range of bubble columns available, the vacuum airlift is a French innovation with very interesting characteristics for hydraulic pumping, mass transfer and suspended matter separation. This thesis work is part of the development of this improved airlift, which is widely used in the industrial environment. The objective of the thesis is the hydrodynamic characterization of the airlift column under vacuum and analysis of its capacities to ensure the solid-liquid separation function. This work is exclusively experimental and the experimental setup is a vertical bubble column in plexiglass under vacuum and connected to a recirculation basin. The hydrodynamic analysis was carried out using a differential pressure sensor for the global study and using a double optical probe for local characterization. Results obtained made it possible to study flow regime. The main parameters obtained are the void fraction, superficial velocity and bubbles diameter. Particle Image Velocimetry is applied to visualize and analyze the flow structures in the recirculation basin. The extracting capacities of the column were studied in tap water with the addition of surfactants. Soluble casein and Methyl Iso Butyl Carbinol (MIBC) are the two surfactants that have given the best results in terms of solid-liquid separation of suspended matter. This work contributed to the understanding hydrodynamics for vacuum airlift column and helped to highlight the potential of this column in the solid-liquid separation process. This work also opens the way to numerical modelling of airlift column hydrodynamics from experimental results.
Les colonnes à bulles sont des contacteurs gaz-liquide très répandus en milieu industriel, notamment dans des applications de procédés chimiques, biologiques et minéralogiques. Dans la gamme de colonne à bulles disponible, l'airlift sous dépression est une innovation française présentant des caractéristiques très intéressantes pour le pompage hydraulique, le transfert de masse et la séparation des matières en suspension. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de cet airlift amélioré, très utilisé dans le milieu industriel. L'objectif de la thèse est la caractérisation hydrodynamique de la colonne airlift sous dépression et l'analyse de ses capacités à assurer la fonction de séparation solide-liquide pour des particules en suspension. Le travail est exclusivement expérimental et le dispositif expérimental est constitué d'une colonne à bulles verticale transparente en plexiglass soumise à une dépression en tête et connectée à un bassin de recirculation hydraulique. L'analyse hydrodynamique a été réalisée à l'aide de capteur de pression différentielle pour l'étude globale et à l'aide d'une double sonde optique pour une caractérisation locale. Les résultats obtenus ont permis d'étudier le régime d'écoulement pour les principaux paramètres : le taux de vide, la vitesse d'ascension et le diamètre des bulles. La Vélocimétrie par Images des Particules a été appliquée pour visualiser et analyser les structures d'écoulement dans le bassin de recirculation. Les capacités extractives de la colonne ont été étudiées en eau douce avec ajout de produits tensioactifs. La caséine soluble et le Methyl Iso Butyl Carbinol (MIBC) sont les deux tensioactifs qui ont donné les meilleurs résultats en termes de séparation solide-liquide des matières en suspension. Ce travail a contribué à la compréhension de l'hydrodynamique des airlift sous dépression et a permis de mettre en évidence les potentialités de cette colonne dans le processus de séparation solide-liquide. Le travail ouvre aussi la voie à la modélisation numérique de l'hydrodynamique de la colonne en s'appuyant sur les résultats expérimentaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)