Mesure de Kla

Filière Ingénieur Génie des Procédés Industriels

Département de Génie des Procédés et Environnement



Au delà des caractéristiques hydrodynamiques, un contacteur doit surtout assurer des transferts de matière efficaces entre les phases en présence. Dans le cas des systèmes gaz-liquide, l’absorption d’un constituant gazeux peut se faire par simple dissolution ou bien par dissolution suivie d’une réaction dans la phase liquide. Pour ces deux utilisations, les transferts de matière sont basés sur l’existence d’une différence de concentrations entre les phases. En théorie, le modèle du double film est le plus couramment utilisé pour étudier ces

phénomènes.

Introduction

En utilisant la théorie de modèle du double film, on peut exprimer schématiquement les profils de concentrations de l’oxygène dissous dans l’eau comme le montre la figure suivante:



Connaissant ϕ , le flux spécifique d’oxygène transféré ainsi que le nombre de moles transférées à travers la surface d’échange S, par l’équation (*),

(*)

on écrit :

L’oxygène étant un gaz peu soluble dans l’eau, on peut donc considérer que la résistance en phase gaz est négligeable. Alors la concentration à l’interface est maximale. C’est la concentration de saturation en oxygène à la température de l’essai (C*=CO2Li), comme le montre la figure ci-dessous:

NA: la quantité de matière transférée par unité de temps

La forme définitive de modèle du double film pour l’émulsion O2-eau



Le taux d’accroissement de la teneur en oxygène dissous, c’est-à-dire la quantité d’oxygène transférée pas unité du volume liquide [M.L-3.T-1], s’écrit

Après intégration on obtient

Où:C0: Concentration minimale d’oxygène dissous Ct: Concentration de l’oxygène à l’instant t0: Début de réoxygénation de l’eau

Donc, en traçant la courbe, en fonction du temps , on obtient une droite dont la pente représente Kla (coefficient de transfert volumique).



Les mesures du coefficient de transfert de matière volumique Kla sont uniquement réalisées avec le système air-eau pour ce cas de figure.Pour observer l’oxygénation de l’eau, il faut que: la solution aqueuse de départ ait une faible concentration en oxygène dissous. On utilise le sulfite de sodium pour consommer l’oxygène initialement dissous. Le sulfite de sodium n’a aucune influence sur l’intensité de transfert et le Kla ainsi évalué caractérise le transfert de l’oxygène dans l’eau et ne dépend en aucun cas de la réaction du sulfite de sodium.

Mise en œuvre

Dans ce cas, une réaction d’oxydation catalytique est mise en œuvre. En présence d’ions de cobalt, les ions sulfites sont oxydés en ions sulfates selon le schéma réactionnel suivant:

Lorsque tout le sulfite introduit dans le liquide été consommé, on observe la remontée de la teneur en oxygène par transfert de l’air vers l’eau à travers la surface extérieure des bulles. L’évolution de la teneur en oxygène est suivie par une sonde à oxygène, connectée à un oxymètre. L’ensemble est relié à un enregistreur. On lit ainsi directement sur le cadran la concentration en oxygène dissous en mg/l

L’allure générale des variations de la concentration en oxygène dissous au cours de l’expérience est représentée sur la figure ci-dessous:



Quelques recommandations sont à retenir lors de l’application de la méthode utilisé:

La réaction d’oxydation des ions sulfites étant exothermique, il faut donc éviter une grande variation de la température au cours de l’essai, ce qui peut avoir une influence sur la concentration de saturation en oxygène dissous.

Pour éviter les risques de variations des propriétés physico-chimiques de la solution dues à la présence de sels, autrement dit risques de modification de la taille des bulles, l’eau doit être changée après chaque essai.

Les conditions d’agitation et d’aération doivent être maintenues pendant l’addition du sulfite. Donc, sans arrêter l’installation, on observe la consommation de l’oxygène par le sulfite puis la remontée en oxygène. Etant donné qu’on oxygène en permanence, il n’est pas possible d’obtenir la consommation totale de l’oxygène, mais seulement un palier de concentration minimum C0. cependant, comme on s’intéresse à une différence de

concentration, cette démarche est pour nous tout à fait satisfaisante.





Le dispositif expérimental

-Colonne de 4 m de hauteur

-19,4 cm de diamètre interne

-Remplie de liquide

-Alimentée en pied par de l’air comprimé

Distributeur uniforme (32 trous ,1 mm de D) distance entre deux trous successifs et de 2 cm .

La colonne fonctionne en mode. semi-continu

Description du poste d’étude

4m

19,4 cm



Schéma de l’installation pour la détermination de Kla

La colonne est équipée :

-une sonde liée à un oxymétre.

le but de déterminer le coefficient de transfert de matière côté liquide Kla,

-Dans un premier temps la colonne doit être rempli jusqu’à un niveau déterminé( 2m),

- L’air est introduit par le bas avec des débits différents

-L’injection de la solution de sulfite par le haut afin d’éliminer l’oxygène existant dans le milieu (désoxygénation).



Schéma de la colonne

Débit du gaz (cm3/s) Kla (en S-1)

532,06 0,0073

857,21 0,0118

1389,28 0,0232

1832,67 0,034

2305,62 0,0457

2364,73 0,0528

2423,85 0,0757

135 0,0763

2660,33 0,0765

145 0,0758

Les résultats

Les conditions de travail pour différents débits de gaz



Exploitation des résultats

Courbe de la concentration d’O2 en fonction du temps

C’est la partie de ré-oxygénation et c’est la partie la plus intéressante à partir de laquelle on pourra déterminer le coefficient de transfert de matière Kla et

ce en utilisant la loi de FICK:

Solution:

Kla est la pente de la droite

C’est la deuxième partie constante de la courbe et correspond a la re-saturation de l’eau en oxygène et c’est la limite ou il n’ya plus de transfert de matière entre l’eau et l’air injecté.



Courbe des résultats de ln (1/ (1-C/C*)) =f(t) obtenus pour tous les débits du gaz

Ug



Courbe de Kla en fonction de la vitesse du gaz

kLa augmente avec le débit jusqu'à une valeur de 2,42385 l/s Ce changement de pente est expliqué par le passage du régimes homogène au régime hétérogène.

.•Dans le régime homogène Kla augmente avec le débit l’homogénéisation de la taille des bulles. •le changement de la pente correspond au régime hétérogène (diminution de kla) la diminution de l’air interfaciale entre les deux phases (eau-air) qui peut être expliqué par la coalescence des bulles.

Documents

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