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Les régimes d'écoulement sur le plateau

Photographies des différents régimes d'écoulement sur des plateaux perforés
Source: Jonas Schulz, Philipp Aziz, Hans-Jörg Bart
https://doi.org/10.1002/cite.202000140
Sur le plateau, le gaz ou la vapeur chemine verticalement de bas en haut, traversant la couche de liquide retenue, tandis que le liquide chemine horizontalement de l'entrée vers le déversoir de sortie. Le gaz ou la vapeur en traversant la couche liquide, présente des régimes d'écoulement variables, formant des bulles, des jets, selon les débits.

On distingue trois régimes d'écoulement:

  • Régime d'émulsion (Emulsion Regime)
  • Régime de bullage (Froth Regime)
  • Régime de pulvérisation (Spray Regime)

Régime d'émulsion (Emulsion Regime)

Lorsque le débit liquide est élevé, son mouvement disperse rapidement le gaz émergeant des trous du plateau. Gaz et liquide forment un mélange homogène.

Régime de bullage (Froth Regime)

Le liquide forme une phase continue. Le gaz est dispersé sous forme de bulles de tailles variable, évoluant à des vitesses différentes. C'est le régime le plus courament rencontré.

Régime de pulvérisation (Spray Regime)

A très faible débit liquide, le gaz constitue la phase continue et le liquide est dispersé. Il est facilement entrainé par le gaz. La quantité de liquide présente sur le plateau est faible, le temps de contact entre le gaz et le liquide est court, la garde hydraulique en bas de la descente est insuffisante et le gaz peut remonter par la descente.
On cherche généralement à éviter ce régime, car il conduit à une faible efficacité de séparation. Il peut conduire à totalement assécher le plateau.

Transition entre régimes de bullage et de pulvérisation

Conditions de la transition entre bullage et pulvérisation

Transition Régime Bullage-Pulvérisation

Corrélation de M.J. Lockett

Source: M. J. Lockett, Trans. Inst. Chem. Eng. 1981, 59, 26–34

Un régime de pulvérisation s’établit sur un plateau perforé si:
hclUgh×dh×ρgρl2,78[s/m]\frac{{h}_{cl}}{{U}_{gh}×{d}_{h}×\sqrt{\frac{{ρ}_{g}}{{ρ}_{l}}}}≺2,78\left[ s/m\right]

Corrélation de Hofhuis et Zuiderweg

Source: P. A. M. Hofhuis, F. J. Zuiderweg, Inst. Chem. Eng. Symp. Ser. 1979, 56 (2), 2.2/1–2.2/26

La hauteur de liquide clair peut être estimée par:
hcl=0,6×(L×ABLw×Np×G×ρgρl×ph)0,25×hw{h}_{cl}=0,6×{\left(\frac{L×{A}_{B}}{{L}_{w}×{N}_{p}×G}×\sqrt{\frac{{ρ}_{g}}{{ρ}_{l}}}×{p}_{h}\right)}^{0,25}×\sqrt{{h}_{w}}

avec:

L, G
débit liquide et gaz (ou vapeur) [kg/s]
ρl, ρg masse volumique du liquide et du gaz [kg/m3]
Ugh
vitesse du gaz dans les trous [m/s]
dh
diamètre des trous [m]
hcl
hauteur de liquide clair [m]
hw
hauteur du barrage de sortie [m]
ph
espacement (pitch) des trous [m]
Np
nombre de passes du plateau
AB
aire de bullage [m²]
Lw
longueur du barrage de sortie [m]


Les débit de gaz et de liquide étant fixés par les propriétés des constituants (volatilité relative, nombre d'étages, taux de reflux), les plateaux doivent être dimensionnés pour opérer avec la meilleure efficacité soit en régime de bullage ou d'émulsion. Ils est important de connaitre les conditions pour lesquelles se produit la transition vers le régime de pulvérisation, afin d'éviter de se trouver dans cette situation.
Parmis les nombreuses corrélations tentant de décrire ce phénomène, celle de MJ Lockett est souvent citée. Elle fait appel à la hauteur de liquide clair sur le plateau, qui représente l'accumulation de liquide sur le plateau. La corrélation de Hofhuis et Zuiderweg est souvent citée pour estimer la hauteur de liquide clair.




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