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Article

1 - DIFFÉRENTS TYPES DE CONTACTEUR GAZ-LIQUIDE

2 - SOLUBILITÉ DES GAZ DANS LES LIQUIDES

3 - MODÉLISATION DU TRANSFERT DE MATIÈRE

4 - CARACTÉRISTIQUES DES ÉCHANGEURS GAZ-LIQUIDE

5 - ABSORPTION PHYSIQUE : DIMENSIONNEMENT DU CONTACTEUR

6 - ABSORPTION AVEC RÉACTION CHIMIQUE : DIMENSIONNEMENT DU CONTACTEUR

  • 6.1 - Réaction instantanée de surface, phase gaz « piston » à contre-courant
  • 6.2 - Réaction rapide, écoulement piston pour les deux phases, contre-courant

7 - EXEMPLES D’APPLICATIONS

Article de référence | Réf : G1750 v1

Solubilité des gaz dans les liquides
Absorption en traitement d’air

Auteur(s) : Michel ROUSTAN

Relu et validé le 01 févr. 2016

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RÉSUMÉ

Le procédé d’absorption permet de traiter des effluents gazeux contaminés tels que des atmosphères pollués par des composés organiques volatils, des gaz acides ou des fumées de combustion issues d’incinérateurs. Les contacteurs d’un procédé d’absorption sont le siège d’échanges de matière entre une phase gazeuse et une phase liquide dont les compositions chimiques sont différentes. Après la présentation des différents types de contacteurs gaz-liquide, l’article expose les concepts de base du transfert de matière gaz-liquide, puis les principes du dimensionnement de ces équipements. Il termine par des exemples d’applications.

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Auteur(s)

  • Michel ROUSTAN : Ingénieur INSA, Docteur ès sciences - Professeur de génie des procédés - Laboratoire d’ingénierie des procédés de l’environnement à l’INSA de Toulouse

INTRODUCTION

Parmi les procédés de traitement de l’air chargé en polluants, l’opération unitaire – absorption – réalisée au sein de contacteurs gaz-liquide, entre dans la catégorie des procédés basés sur un transfert avec récupération directe et est comparable à l’adsorption gaz-solide ou à la condensation . Il s’agit en effet de proposer des solutions pour le traitement d’effluents gazeux contaminés tels que :

  • des atmosphères contenant des composés organiques volatils (COV) de type composés oxygénés : acides gras volatils, alcools, cétones, dérivés chlorés. Les émetteurs de COV sont essentiellement les transports et les industries utilisatrices de solvants  ;

  • les fumées de combustion issues des incinérateurs contenant NOx , SO2 , HCl ;

  • les gaz acides à base de HCl, HF, H2 S et CO2 ;

  • des effluents contenant des composés odorants de type soufrés (H2 S, CH3 SH), azotés (NH3 , CH3 NH2 ) ou oxygénés (acétone, acide acétique). Les principales sources sont les stations d’épuration d’eaux usées, les industries agroalimentaires (conserveries, équarrissages), les papeteries et les industries chimiques.

Au sens où nous l’entendons dans cet article, l’absorption est l’opération unitaire dont le principe est basé sur le passage d’un ou de plusieurs constituants d’une phase gazeuse dans une phase liquide. Il s’opère des échanges (ou transferts) de matière entre une phase gazeuse et une phase liquide dont les compositions chimiques sont différentes. Ce transfert de matière mis en jeu s’effectue au sein de contacteurs (ou réacteurs) gaz-liquide dans lesquels les deux phases sont mises en contact pour favoriser les échanges de matière.

Le dimensionnement de ces appareils repose sur un certain nombre de concepts fondamentaux qu’il est indispensable de rappeler ici, sans toutefois entrer dans les détails de certaines démonstrations qui ont fait par ailleurs l’objet de nombreuses publications.

Les points suivants seront ainsi abordés :

  • les différents types de contacteurs gaz-liquide ;

  • les concepts de base du transfert de matière gaz-liquide ;

  • les principes du dimensionnement des absorbeurs ;

  • la mise en œuvre des absorbeurs à travers des études de cas.

Nous supposerons que :

  • les concentrations des constituants présents dans la phase gazeuse et susceptibles d’être absorbés au sein de la phase liquide sont relativement faibles ;

  • les phases se comportent comme des solutions diluées ;

  • le liquide est non volatil ;

  • le gaz vecteur est insoluble dans le liquide et se comporte comme un inerte ;

  • l’absorption se déroule de façon isotherme ;

  • les débits des phases gazeuse et liquide peuvent être considérés comme constants entre l’entrée et la sortie de l’absorbeur.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-g1750


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2. Solubilité des gaz dans les liquides

La connaissance de la solubilité d’un gaz dans un liquide est essentielle pour le choix et le dimensionnement du contacteur. Pour un composé donné, les conditions thermodynamiques d’équilibre sont obtenues lorsque les potentiels chimiques (et donc les fugacités) sont les mêmes dans les deux phases. En partant d’hypothèses simplificatrices (phase vapeur parfaite, phase liquide idéale), l’équilibre entre phases est décrit par la loi de Henry :

xi Hi = yi P soit yi = xi Hi /P
( 1 )

avec :

xi
 : 
fraction molaire du composé i dans le liquide
yi
 : 
fraction molaire du composé i dans la phase gaz
P
 : 
pression de travail (Pa)
Hi
 : 
constante de Henry pour le composé i (Pa).

Il existe d’autres façons d’exprimer la solubilité d’un gaz dans un liquide selon les unités utilisées pour calculer les « concentrations » des composés i.

• 

yi = m xi

avec m = Hi /P (équation [1]).

• 

avec :

C G
 : 
concentration dans la phase gazeuse
 : 
concentration à l’équilibre dans le liquide.

Les deux concentrations...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MARTIN (G.), LAFFORT (P.) -   Odeurs et désodorisation dans l’environnement.  -  Tec & Doc, Lavoisier, Paris (1991).

  • (2) - LE CLOIREC (P.) -   Les COV dans l’environnement.  -  Tec & Doc, Lavoisier, Paris (1998).

  • (3) - ROUSTAN (M.) -   Transferts gaz-liquide dans les procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux.  -  Tec & Doc, Lavoisier, Paris (2003).

  • (4) - TREYBAL (R.E.) -   Mass Transfer Operations.  -  McGraw-Hill, New York, (1968).

  • (5) - COULSON (J.M.), RICHARDSON (J.F.) -   Chemical Engineering.  -  Pergamon Press, Oxford (1991).

  • (6) - PERRY (R.H.), CHILTON (C.H.) -   Chemical Engineer’s Handbook, 5e edition.  -  MacGraw-Hill, New York (1973).

  • ...

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