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Mass transfer in Taylor flow : Transfer rate modelling from measurements at the slug and film scale

Les techniques d’aujourd’hui permettent de se plonger dans l’intimité des échanges entre des bulles confinées et leur environnement…

par C. Butler, B. Lalanne, K. Sandmann, E. Cid, A.-M. Billet – mai 2018

Le transfert de masse en écoulements gaz-liquide non réactifs de type “Taylor” (succession de bouchons de liquide et de bulles de diamètre proche de celui du canal : figure 1.a) a été fréquemment étudié depuis les travaux du Professeur Taylor dans les années 60. Ces écoulements sont rencontrés dans l’industrie pour des réactions entre un gaz et un liquide, en micro-réacteurs mais aussi dans des réacteurs catalytiques milli-structurés de type monolithe. Une étude originale, récemment mise en place au LGC, a permis d’accéder au transfert entre les 2 phases à l’échelle des inclusions millimétriques. Les techniques non invasives qui furent utilisées – et dont les résultats ont été mis en perspectives – sont la PIV (Particule Image Velocimetry, permettant d’accéder au champ des vitesses dans les bouchons) et la PLIF-I (Planar laser Induced Fluorescence with Inhibition). Cette dernière technique a permis d’accéder aux champs locaux de concentration en gaz dissous dans les bouchons de liquide ainsi que dans les films de lubrification entourant les bulles (figure 1.b). Ces campagnes de mesure ont pu être réalisées grâce au soutien technique et au matériel de pointe disponible au sein de la fédération de recherche FERMaT.

Une large variété de « régimes » de Taylor – permettant d’explorer diverses tailles de bulles et de bouchons, ainsi que diverses valeurs de vitesse totale de phases – a été investiguée (30 <Reb<1430).

De même, deux liquides ont été utilisés afin de modifier l’importance des effets visqueux et capillaires dans ces écoulements (530 < Sc < 6900) : il s’agit d’eau, et de mélanges d’eau et de « Breox » (le « Breox 75 W 55,0 »étant un co-polymère bloc d’éthylène glycol et de propylène glycol, qui offre une viscosité élevée et qui est totalement soluble dans l’eau).

Des mécanismes de transfert ont ainsi pu être mis en évidence pour la première fois dans cette étude, en distinguant la zone du film de lubrification (entre les bulles et la paroi) du reste du bouchon de liquide qui est une zone fortement mélangée. Le film étant rapidement saturé en oxygène, il constitue une nouvelle source significative d’alimentation pour le bouchon de liquide, le flux d’échange entre ces deux zones ayant été quantifié.

Des phénomènes originaux ont été observés pour les cas à nombre de Reynolds de bulle supérieurs à 300, qui montrent, au sein des bouchons, des îlots de zones très concentrées au milieu de zones moins riches et qui sont associés à la présence de faibles fluctuations de vitesse à l’arrière des bulles. Ces îlots pourraient être la conséquence d’une instabilité hydrodynamique liée à la présence de contaminants à la surface des bulles, ou bien résulter du transfert ayant lieu lors de l’injection des phases liquide et gaz dans l’injecteur en T.

Néanmoins, pour l’ensemble des régimes, il a été montré que le flux global de transfert d’oxygène entre les phases gaz et liquide est majoritairement piloté par la vitesse moyenne de recirculation dans les bouchons de liquide. Sur la base de ces avancées ; une loi d’échelle liant le coefficient de transfert entre phases (via le nombre de Sherwood) aux nombres de Reynolds et de Schmidt a pu être proposée ; cette loi est en bon accord avec les données expérimentales, et ce sur une plage plus large de conditions opératoires (100 < Sh < 5000) que les corrélations disponibles dans la littérature.

Ces travaux se poursuivent actuellement via la simulation directe de l’écoulement et du transfert de masse associé entre phases.

Référence
Mass transfer in Taylor flow : transfer rate modelling from measurements at the slug and film scale
Journal title : International Journal of Multiphase Flow
Corresponding author : Professor Anne Marie Billet
First author : Dr. Colin Butler
Accepted manuscript available online : 6-APR-2018
DOI information : 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.04.005
http://authors.elsevier.com/sd/article/S0301932217309400