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Absorption d'un gaz dans un liquide

Principe de l'absorption

L’absorption d'un gaz par un liquide est un processus de transfert de masse d’un composé de la phase gazeuse vers la phase liquide. Les étapes successives sont:
 - diffusion du composé au sein de la phase gazeuse vers la surface du liquide
 - condensation/dissolution du composé dans la phase liquide
 - diffusion du composé au sein de la phase liquide

La vitesse d'adsorption est favorisée par:

 - la turbulence du gaz qui permet de renouveler rapidement le gaz en contact avec le liquide
 - la dispersion du liquide au sein du gaz, ou bien la dispersion du gaz au sein du liquide qui augmente la surface de contact
 - la turbulence du liquide qui permet de renouveler le liquide en contact avec le gaz

L'absorption est limitée par:

 - la solubilité du composé dans le liquide de lavage
 - la température du liquide de lavage (la solubilité des gaz diminue quand la température du liquide augmente)

Lorsque le composé transféré n’est pas modifié, le processus est une simple absorption physique.

L'absorption d'un gaz dans un liquide s'accompagne le plus souvent d'une élévation de sa température (chaleur de dissolution). Pour conserver au liquide sa capacité d'absorption maximale, il convient d'éliminer cette chaleur de dissolution afin de le maintenir à une température la plus basse possible.

Solubilité des gaz

Pour les gaz très dilués la solubilité dans un liquide est proportionnelle à sa pression partielle dans le gaz. Elle est généralement exprimée par la loi de Henry:
C = H.p
H est le coefficient de Henry.
p est la pression partielle du composant dans le gaz.
La loi de Henry n'est pas applicable aux gaz et aux solutions concentrés. Il faut alors se référer aux équilibres liquide vapeur des composants.
Même si sa fraction molaire dans le gaz reste inchangée, la pression partielle d'un composant, et donc sa solubilité, augmente avec la pression totale du gaz.
Contrairement aux liquides ou solides, la solubilité des gaz diminue quand la température augmente;

Effet de la température

 Absorption d'acide chlorhydrique dans l'eau:
Equilibre d'absorption HCl dans l'eau

L'acide chlorhydrique gazeux en dissolvant dans l'eau dégage 2100 KJ/kg de gaz.
Sans refroidissement, le liquide absorbant voit sa température augmenter proportionellement à la quantité de gaz absorbé. Cette évolution est représentée par la droite en pointillé rouge sur le graphe.
Par contre, si le refroidissement est simultané à l'absorption, la température est quasiment constante. Cette évolution est représentée par la droite en pointillé vert.
La concentration maximale d'acide est atteinte lorsque la droite d'absorption croise la courbe d'équilibre (courbe continue bleue).
L'absorption des gaz dans les liquides est généralement exothermique. Cette exothermie est particulièrement importante pour les gaz acides (exemple: acide chlorhydrique) ou basiques (exemple: l'ammoniac) dans l'eau. Elle provoque souvent une augmentation de température du liquide d'absorption telle qu'elle limite sa capacité. Maximiser l'efficacité de l'absorbeur passe alors par une maitrise de cette température.

Absorption adiabatique

Se dit d'une absorption sans élimination de la chaleur de dissolution. La température du liquide augmente donc proportionellement à la quantité de gaz absorbé. Les équipements utilisés peuvent être une colonne à plateaux ou à garnissage, un venturi ou une colonne à pulvérisation.
La température atteinte peut provoquer une vaporisation partielle du liquide; un condenseur sera alors nécessaire pour le récupérer.
La température du liquide absorbant peut être maitrisée par une recirculation importante du liquide refroidi sur l'absorbeur.

Absorption isotherme

Se dit d'une absorption avec élimination continue de la chaleur de dissolution. La température est maintenue à la température la plus basse possible pour maximiser la capacité d'absorption du liquide. Les équipements utilisés sont des échangeurs de chaleur, l'absorption se produisant d'un coté de la paroi, un liquide de refroidissement circulant de l'autre coté.


Absorption étagée

 Exemple d'absorption d'acide chlorhydrique en trois étages:
Schéma de principe d'un absorbeur à trois étages
Le gaz à épurer contient des vapeurs d'acide chlorhydrique, qui doit être absorbé dans l'eau. L'acide absorbé doit être valorisé sous la forme d'une solution concentrée (30 à 35%). Le gaz est épuré en trois étapes successives:
 - lavage par une solution riche en acide dans un venturi alimenté par la solution extraite de l'étage intermédiaire
 - lavage par une solution de concentration intermédiaire (10%) dans un venturi . Cet étage est alimenté en solution pauvre en acide provenant de l'étage final
 - lavage final dans une colonne à garnissage alimenté en eau fraiche, qui permet d'atteindre une épuration poussée
L'absorption étant exothermique, les solutions doivent être refroidies
Une absorption dans une colonne comportant plusieurs lits, ou dans plusieurs venturis montés en série, avec sur chacun une recirculation importante de liquide refroidi permet d'approcher les conditions d'une absorption isotherme.


Absorbeur à film tombant

Une absorption de gaz efficace demande:
 - un contact intime entre le gaz et le liquide
 - un transfert thermique efficace
Absorbeur à film tombantUn absorbeur à film tombant est un échangeur à tubes et calandre disposé verticalement, dans lequel le gaz à absorber et le liquide  absorbant cheminent à l'intérieur des tubes, à co-courant de haut en bas, tandis que la chaleur de dissolution est extraite par un liquide de refroidissement circulant de l'autre coté de la paroi du tube. Le débit de liquide dans chaque tube est tel qu'il ne rempli pas la totalité de la section du tube, mais forme seulement un film sur la paroi. Ceci suppose qu'un système efficace soit placé sur le sommet de chaque tube pour distribuer uniformément le liquide et le gaz.
Cette technique donne des équipements compacts car très efficaces, capables de fonctionner dans une grande plage de débits, et offrant une très faible perte de charge. Ce type d'absorbeur n'est pas recommandé si une forte proportion de gaz inerte est présente ou si le gaz est peu absorbable dans le liquide.
Si le gaz à absorber est pur, l'absorption peut être totale et aucun traitement complémentaire ne sera nécessaire. C'est par exemple le cas dans les systèmes frigorifiques à ammoniac.
Si le gaz à absorber est mélangé avec un gaz inerte, celui-ci sera extrait en aval de l'absorbeur à fim tombant et entrainera avec lui une partie du gaz à absorber. Pour compléter l'absorption, une colonne à garnissage ou à plateaux alimenté en liquide frais traitera le gaz extrait. Le liquide de lavage extrait de cet absorbeur final alimentera l'absorbeur à film tombant.
Les équipements commerciaux sont constitués de tubes de 3/4" à 1" (20 à 25mm de diamètre extérieur) et de 4 à 6m de long. Ils sont pricipalement caractérisés par la surface déployée des tubes comme pour les échangeurs de chaleur. La documentation d'un fournisseur (goelscientific.com) indique qu'un tel équipement permet d'absorber un maximum de 30kg d'acide chlorhydrique gazeux par m² de surface.

Absorbeur à lit de garnissage

Absorbeur sur colonne à lits multiplesEquipement similaire à celui utilisé en distillation. Le contact intime entre le gaz et le liquide se produit à la surface d'un garnissage disposé dans le fût d'une colonne.
Le garnissage peut être constitué d'éléments en vrac (anneaux Rashig, Pall, ...), ou structurés (pour une plus grande efficacité et une plus faible perte de charge).
Le garnissage peut être en métal, en matière plastique (pour résister à un milieu corrosif) ou en céramique (pour résister à un milieu chaud et corrosif).
Plusieurs lits peuvent être utilisés en série pour optimiser l'efficacité de l'absorbeur.
Sur chaque lit, le liquide et le gaz doivent être soigneusement distribués sur toute la section de la colonne.


Absorbeur Venturi

Le gaz est introduit dans une chambre présentant une zone convergente et suivie d'une zone divergente. Le liquide est introduit à co-courant dans la zone la plus étroite. L'expansion du gaz dans le divergent favorise la dispersion des gouttelettes de liquide.
La perte de charge sur le flux gazeux est parmis les plus élevées des systèmes de lavage de gaz, mais c'est un système peu encombrant, facile à mettre en place et l'un des plus efficace pour la captation de particules.
Le venturi permet l'aspiration du gaz à traiter. Le liquide de lavage sert alors de fluide moteur, permettant de s'affranchir d'un autre équipement tel qu'un ventilateur ou un compresseur.
La séparation du gaz et du liquide de lavage, en aval du venturi peut être obtenue dans une capacité de plus forte section où la vitesse du gaz est plus faible. Un cyclone disposé en aval peut aussi être utilisé.



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