Efficacité d'un laveur de gaz

Un laveur de gaz est un équipement permettant d'extraire un polluant indésirable contenu dans un flux gazeux, au moyen d'un liquide (de lavage).

Le polluant à retirer peut être:

• solide ou liquide; l'action du laveur sera de type mécanique pour capter les particules solides ou les vésicules liquides
• gazeux; l'action du laveur sera de type physico-chimique faisant appel à des équilibres liquide-vapeur

Seul ce dernier cas est traité dans cette page.

Le polluant est généralement présent en faible quantité dans le gaz à traiter. Si la substance à extraire se trouve en proportion majoritaire, on parlera alors d'absorbeur; les contraintes pourront être différentes.

On souhaite généralement que l'extraction du polluant soit totale, et qu'il n'en subsiste aucune trace dans le flux sortant du laveur. L'efficacité serait alors de 100%. L'efficacité du laveur peut être définie comme le taux d'extraction du polluant qu'il permet.
L'efficacité d'un laveur de gaz dépend de plusieurs facteurs:

• la solubilité du polluant dans le liquide de lavage (équilibre gaz - liquide)
• le débit de liquide de lavage (bilan matière de l'opération)
• la qualité du contact entre le gaz et le liquide de lavage

Equilibre gaz liquide

Pour être efficace, le liquide de lavage doit pouvoir solubiliser le composant à absorber.
Dans la plupart des cas, cette solubilité n'est pas infinie. La limite de solubilité dans le liquide dépend en partie de la concentration présente dans le gaz. Il y a un équilibre entre la composition du gaz (y*) et la composition du liquide (x*).
Cet équilibre gaz-liquide est représenté par le coefficient d'équilibre gaz-liquide K:

K = y*⁄ x*

Une faible valeur de coefficient d'équilibre K indique un solvant pouvant accepter une plus grande concentration en composant à absorber, donc plus efficace.

Coefficient de Henry

Dans le cas de systèmes très dilués, où un composé en faible proportion se partage entre une phase gazeuse et un solvant liquide, on préfère utiliser le coefficient de Henry (H_σ ) également nommé 'constante' de Henry.
La pression partielle à l'équilibre d'un composé gazeux dans la phase vapeur, est proportionnelle à sa concentration dans le solvant. Le coefficient de proportionalité est le coefficient de Henry.

Les valeurs pour de nombreuses substances et solvants sont publiées dans la littérature.

Plusieurs définitions du coefficient de Henry et de nombreuses unités sont utilisées dans les publications. Prendre bien soin de vérifier les unités pour identifier quelle définition est proposée.

Les plus courantes sont:

H_σ = P_σ ⁄ X_σ  ou bien  H_σ = X_σ ⁄ P_σ ou encore H_σ = C_σ ⁄ P_σ

avec:
H_σ: coefficient de Henry du soluté 'σ' dans le solvant 's'
P_σ: pression partielle du soluté dans le gaz
X_σ: fraction molaire du soluté dans le liquide
C_σ: concentration molaire du soluté dans le liquide (mole/l)

Pour convertir le coefficient de Henry en coefficient d'équilibre, utiliser les relations suivantes:

K = P_σ ⁄ X_σ ⁄ P_tot

K = P_σ ⁄ C_σ × ρ_s ⁄ M_s ⁄ P_tot

avec:
P_tot : pression totale (même unité que P_σ)
ρ_s : masse volumique du solvant
M_s : masse molaire du solvant

Arrangement des laveurs

Comme pour un échangeur de chaleur, un laveur peut fonctionner à co-courant, à contre-courant ou à courants croisés.

Laveur à co-courant

Le gaz et le liquide cheminent parallèlement, dans la même direction. Le gaz s'appauvrit tandis que le liquide à son contact s'enrichit. Les compositions du gaz et du liquide tendent vers une situation d'équilibre sans pouvoir la dépasser. Un contacteur infiniment efficace permettrait que gaz et liquide sortent à l'équilibre. Cet équilibre dépend du ratio des débits de gaz et de liquide.
C'est typiquement le mode de fonctionnement des absorbeurs venturi.

Laveur à contre-courant

Le gaz et le liquide cheminent dans des directions opposées. Le gaz s'appauvrissant est au contact d'un liquide lui-même de plus en plus pauvre. L'écart à l'équilibre est maintenu et le transfert favorisé. Un contacteur infiniment efficace permettrait que le gaz sortant soit en équilibre avec le liquide entrant.
C'est typiquement le mode de fonctionnement des colonnes de lavages dans lesquelles le gaz est introduit à la base de la colonne et le liquide à son sommet.
Deux modes de fonctionnement sont possibles:

1. le débit de liquide est élevé (L ⁄ KG > 1): la majeure partie du transfert de matière se produit à l'entrée du gaz à épurer et, vers sa sortie, il tend vers l'équilibre avec le liquide entrant. L'épuration tend vers le maximum possible.
2. le débit de liquide est faible (L ⁄ KG < 1): la majeure partie du transfert se produit à l'entrée du liquide et, vers sa sortie, il tend vers l'équilibre avec le gaz entrant. L'épuration est limitée. Elle est gouvernée par le liquide.

Laveur à courants croisés

Le gaz, au cours de son cheminement, rencontre un liquide continuellement renouvelé. Le gaz cheminera horizontalement tandis que le liquide sera pulvérisé au sommet de la veine gazeuse, qu'il traversera de haut en bas.

Bilan matière

Un contacteur idéal infiniment performant pourrait conduire à ce que le liquide sortant soit en équilibre avec le gaz entrant. Dans ce cas le taux d'extraction du polluant serait déterminé par le seul bilan matière. Le bilan matière permet de définir un ratio liquide de lavage / gaz à traiter minimum pour satisfaire l'objectif de taux d'extraction. Pour un contacteur réel, moins performant, le ratio de liquide de lavage devra être supérieur.

Efficacité du contacteur

L'efficacité du contacteur est habituellement exprimée en:

• nombre d'étages théoriques
• nombre d'unités de transfert

Les étages théoriques

Si le contacteur est de type barboteur, colonne à plateaux, venturi, on peut faire facilement le lien entre le fonctionnement du contacteur et sa représentation en étage théorique. De plus c'est la manière qu'ont les simulateurs de procédé de représenter les opérations de distillation, absorption ou stripping. C'est pourquoi cette manière d'exprimer l'efficacité d'un contacteur gaz-liquide est très souvent retenue.

Si le contacteur est équipé de plateaux, le nombre de plateaux effectivement nécessaire est déterminé en multipliant le nombre théorique par une efficacité.

Si le contacteur est équipé d'un garnissage, la hauteur de garnissage nécessaire est obtenue en multipliant le nombre théorique de plateaux par une hauteur équivalente à un plateau théorique (HEPT). Cette valeur est parfois indiquée par le fournisseur du garnissage.

Relation de Kremser-Souders-Brown

Pour les situations complexes, les solutions non idéales ou un calcul précis, l'utilisation d'un simulateur de procédé qui fera un calcul étage par étage est indispensable. Mais pour un calcul rapide d'un ordre de grandeur, la relation de Kremser-Souders-Brown est largement employée.

Cette relation a été établie pour la première fois par Kremser en 1930 puis par Souders & Brown en 1932.
Elle permet de déterminer rapidement le nombre d'étages nécessaires pour une séparation lorsque la courbe d'équilibre gaz-liquide et la ligne opératoire sont des droites, ce qui est le cas si la solubilité du gaz dans le liquide suit la loi de Henry.

Les unités de transfert

Une unité de transfert est définie comme le transfert nécessaire pour produire un changement de composition égal à la différence de composition entre les deux phases.
On peut définir le nombre d'unité de transfert (NUT), en se référant à la phase gaz (NUT_G) ou bien à la phase liquide (NUT_L); les valeurs seront différentes.
Pour une absorption, le composant clé sera le composant lourds à éliminer de la phase gazeuse; on considèrera le nombre d'unité de transfert en se référant au gaz ou à la vapeur: NUT_G

Les colonnes à garnissage sont très souvent employées pour les applications de lavage de gaz. Alors que les plateaux de colonne sont nécessairement métalliques, les garnissages vrac ou structurés, peuvent être réalisés en divers matériaux plus résistants à la corrosion (plastiques, céramiques).

Sur un garnissage, le transfert de matière est continu le long de la surface de contact, à la manière d'un échangeur de chaleur.
La hauteur de garnissage nécessaire pour effectuer l'absorption désirée est obtenue en multipliant le nombre d'unité de transfert par une hauteur correspondant à une unité de transfert (HUT). Celle-ci est parfois indiquée par les fournisseurs, ou peut être estimée.

Calcul du nombre d'unités de transfert

De manière similaire à la relation de Kremser pour le nombre d'étages, une relation simple liant les différents paramètres, a été proposée pa A.P. Colburn en 1939. Elle permet de calculer le nombre d'unités de transfert lorsque les débits de gaz et de liquide ainsi que le coefficient d'équilibre sont constants le long de la colonne.