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:
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:
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
Un
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
Equipement
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.
