Étude de l'effet d'échelle sur les plateaux à clapets de colonnes d'absorption

Une demande mondiale grandissante en gaz naturel pousse a exploiter des ressources de plus en plus acides (concentration des gaz acides pouvant atteindre 20% en volume). Le procede de traitement de gaz par des solutions d'amines, existant depuis plus de 50 ans, est le plus repandu pour eliminer les composants acides (CO2, H2S, mercaptans…). Ce procede comporte deux unites principales : une colonne d'absorption gaz liquide a contre-courant pour la separation des composants acides du gaz et une colonne de regeneration du solvant charge. On recherche une optimisation du design, en particulier de l'absorbeur, en vue de reduire les couts et d'augmenter l'efficacite. Dans la colonne d'absorption, le transfert de matiere s'avere limitant par rapport a la thermodynamique. Ainsi l'optimisation du design de cette unite passe par une maitrise des parametres hydrodynamiques et de transfert des contacteurs utilises dans les colonnes. Plusieurs etudes existantes sur unites pilotes proposent des correlations majoritairement empiriques pour les parametres critiques de dimensionnement. Par ailleurs leur extrapolation a l'echelle industrielle montre une divergence importante entre les differentes correlations. Une meilleure comprehension des phenomenes physiques ainsi qu'une identification des parametres importants pour l'extrapolation est donc requise. Dans ce contexte, la presente these a comme objectif principal la comprehension de l'effet de changement d'echelle sur les parametres hydrodynamiques et l'aire interfaciale d'echange dans le cas des plateaux a clapets. La methodologie employee dans cette etude se base sur une complementarite entre une etude experimentale et le potentiel offert par les outils de simulation numerique. L'etude experimentale s'est effectuee sur deux colonnes pilotes rectangulaires transparentes ayant deux longueurs de passe differentes. Des mesures de pertes de charge, de hauteur de l'emulsion, de retention liquide et d'aire interfaciale d'echange ont ete realisees. Des mesures innovantes de profils de l'emulsion gaz-liquide sur un plateau sont egalement presentees. Les differents resultats experimentaux ont permis la proposition d'un diagramme hydrodynamique ainsi qu'une comprehension et une analyse phenomenologique coherente de l'ecoulement sur une large gamme de vitesses liquide et gaz. La comparaison entre les deux colonnes a permis, en premier lieu, l'identification des vitesses liquide et gaz pertinentes pour l'extrapolation. Des similitudes de comportement ont ete trouvees pour certains parametres (retention liquide moyenne, perte de charge clapets, aire interfaciale) offrant ainsi la possibilite de proposer des correlations basees sur une description phenomenologique dependant essentiellement de deux nombres adimensionnels que sont le nombre de Froude (comparant l’inertie gaz au poids liquide sur le plateau) et le parametre de l’ecoulement (comparant les deux inerties liquide et gaz). En revanche une influence notable de la longueur de passe est relevee. En particulier des profils de l'emulsion nettement differents entre la petite et la grande colonne ont ete observes. Des risques d'extrapolation sont par consequent pointes dans cette these notamment pour des parametres tels que la hauteur de liquide clair ou la hauteur moyenne de l’emulsion. Dans une deuxieme partie, l'interet a ete porte sur la simulation numerique des ecoulements sur les plateaux. L'importance et la complexite de la modelisation du terme d'interaction entre les deux phases sont soulignees. Une approche proposee dans la litterature a ete testee et montre la possibilite de l'emploi des simulations CFD comme outil pour une meilleure comprehension des comportements locaux. En outre une approche de modelisation nouvelle est proposee dans une optique de valorisation des outils numeriques pour l'extrapolation.