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Taux de rétention pour des écoulements gaz—liquide à co-courant vers le bas dans les colonnes à garnissage arrosé et noyé
Shorter Communications 400, but the probability of release in the form of double rows becomes greater as the Reynolds number increases and is the usual manner when the oscillation oblate-prolate becomes visible. For the large drops, which are strongly deformed, with their surface performing irregular motions, the shedding is very complicated. We mention that similar results were obtained using the system CCL,-phenol (dispersed phase) and water (continuous phase).
Acknowledgment-The authors are indebted to I. Tirea for his help during the course of the experiments. Polytechnic Bucharest Rumania
Al. DIMIAN E. RUCKENSTElNt
Institute
tvisiting Professor York, U.S.A.
at Clarkson College, Potsdam, New
REFERENCES [l] LEVICH V. G., Physiocochemical Hydrodynamics. Prentice-Hall, New Jersey 1962. [2] LETAN R. and KEHAT E.,A. I. Ch. E. .I11968 14 398. 131 RUCKENSTEIN E., Chem. Engng Sci. 1969 24 419. [4] LOUTATY R., VIGNES A. and LE GOFF P., Chem. Engng Sci. 1969 24 1795. I.51 MAGARVEY R. H. and BISHOP R. L., Can.J. Phvs. 196139 1418. i6j MAGARVEY R. H. and MACLATHY C. S., A. I. kh. E. Jll968 14 260. [7] WINNIKOW S. and CHAO B. T., Phys. Fluids 1966 9 50.
Chemical Engineering Science, 1970, Vol. 25, pp. 1822- 1825.
Pergamon Press.
Printed in Great Britain.
Taux de rktention pour des houlements gaz-liquide h co-courant vers le bas dans les colonnes h garnissage arro.4 et noyh (Received
5 May 1970)
INTRODUCTION IL EXISTEun certain nombre de procedes industriels de contact gaz-liquide qui necessitent des Bcoulements a co-courant. On en trouvera des exemples dans le cas dune reaction chimique tres rapide et exothermique (oxydation ou halog&nation de composes organiques) ou dans certains proctdts d’hydrogenation pour l’industrie petroliere. Ce type d’ecoulement offre I’avantage de faire circuler des debits plus importants de chaque phase a travers le gamissage ou le catalyseur, contrairement aux ecoulements a contre-courant qui sont limit& par I’engorgement. Dans une publication recente [ 11, nous avons presentt des resultats exp&imentaux et formule une relation semiempirique pour predire la chute de pression dans des ecoulements gaz-liquide a co-courant vers le bas au sein d’une colonne gamie d’anneaux Raschig. Nous proposons maintenant un travail identique concernant le taux de re’tention du liquide avec quelques resultats experimentaux supplementaires pour des billes poreuses et non poreuses. On trouvera une description detaillee de I’installation, des proprietes physiques des fluides dans une publication precedente [2] pour des gamissages d’anneaux Raschig et dans le Tableau 1 pour des gamissages de billes avec le systeme eau-air. Nous rapellerons simplement que la mesure du taux de retention se fait par collection du liquide au bas de la colonne apres avoir interrompu simultanement I’arrivee et le depart des fluides respectivement a I’entree et a la sortie
de la colonne, le temps de collection &ant de 10 mn. Enfin, comme nous allons proposer, pour chaque type de garnissage, deux relations semi-empiriques selon le modele d’ecoulement gaz-liquide, nous rappellerons Cgalement les divers regimes rencontres dans la colonne lorsqu’en maintenant le debit liquid L constant, on introduit puis augmente progressivement le debit de gaz G. En colonne arrosCe pour laquelle initialement (G = 0) le liquide ruisselle sur le garnissage en pn%ence dune phase gazeuse a peu prts stagnante, on observe successivement: Un Ccoulement ruisselant de liquide en presence d’une phase gazeuse continue et mobile. Un dcoulement pour lequel le frottement du gaz provoque des rides a la surface du liquide. Eventuellement [ l] un Bcoulement pulse par bouchons alter&s de gaz et de liquide. Un dcoulement en brouillard oii une partie du liquide est entrainee par le gaz sous forme de gouttelettes. En colonee noyCe, pour laquelle initialement le liquide occupe tout le volume de vide du garnissage, on observe successivement: Un ecoulement a bulles de gaz dans le liquide continu. Un Ccoulement pulse. Un Ccoulement en brouillard. On voit ainsi que c’est seulement aux faibles debits gazeux que les colonnes noyees et les colonnes arrosees ont des comportements differents.
1822
Shorter Communications REPRESENTATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX Dans les colonnes arrosees, jusqu’a l’apparition Cventuelle de l’ecoulement pulse ou de l’ecoulement en brouillard,’ le frottement du gaz sur le liquide est faible et par suite le taux de retention reste a peu prbs constant [ I]. Sa valeur, pratiquement &gale a celle pour G = 0, est determinee par la relation bien connue:
au fur et a mesure que l’on augmente G. Dans ce cas, en considerant le melange gaz-liquide comme un fluide homogene equivalent, Larkins et calf. 131ont propose une formule semi-empirique reliant le taux de retention aux resultantes des forces de frottement BL du liquide et 6, du gaz exercees sur l’tlement de volume de fluide lorsque chaque phase s’ecoule seule dans le vide du garnissage: log*op,, = -0,774+0,525
&=A.L”
log,,X-0,109
(log,,X)Z
(2)
(1)
avec: oti A est une fonction du diamttre
du gamissage et des proprietes physiques du liquide et a est une fonction du type et de l’etat de surface du gamissage. On trouvera dans le publication [2] et dans le Tableau I les valeurs de A et a pour les garnissages de cette etude. On trouvera de plus dans la publication[2] les valeurs proposees par d’autres auteurs pour ces coefficients dans le cas de formes differentes de corps de remplissage. A partir de l’tcoulement en bulles pour les colonnes noytes et du regime pulse ou en brouillard pour les colonnes arresees, sous l’influence de la presence du gaz et du frottement gaz-liquide, le taux de retention diminue constamment
0,05 < x =
k < 30. J- %
Les termes SLet ijc se calculent aisement par des equations du type Ergun [4]. Sur la Fig. 1, nous avons present6 l’ensemble de nos resultats experimentaux dans le diagramme de Larkins et coif. et la courbe de ces auteurs avec sa marge d’erreur a & 20 pour cent. Les points sont tres disperses et se tipartissent suivant la forme du gamissage en deux zones distinctes auxquelles il pourrait correspondres dans ce systeme de coordonnees
Tableau 1 Nature des billes Verre alumine poreuse
Diametre
PorositC
(10-3m)
Granulometric (10-3m)
3
2,8-3,5
0,385
3
2-4
0,385
d
lo’
6)
Diametre de la colonne D (10-3m)
D/d
895
10
= 33
0,24
0,50
4,5
10
= 33
0,14
0,37
Taux de retention capillaire PC (%)
1
lo
Fig. 1. Comparison avec l’equation de Larkins.
1823
A
a
1
+20% -20%
,. /
10'4_
IO+
Fig. 2. Taux de retention non capillaire. Billes.
unc
Fig. 3. Taux de retention non capillaire. Anneaux Raschig.
1824
Shorter Communications deux courbes moyennes. II est par suite impossible de deduire une equation moyenne representative de l’ensemble. La representation de Larkins et ~011. est basee sur le modtle de fluide equivalent de masse volumique moyenne pm = pLp+pc( 1 - 0) se deplacant a la vitesse moyenne u, = u&l + uc (1 - fl). Dans l’etude [ 11 portant sur les pertes de charge, nous avons critique cette notion (les deux phases n’ont pas la m&me vitesse reelle au sein du gamissage) et nous avons demontrt qu’il fallait remplacer les termes S, et & deduits de bilnns de force par des termes & et & diduits de bikms d ‘&ergie avec:
colonne soit en Ccoulement monophase, soit en Ccoulement ruisselant, ces grandeurs &ant bien determinCes dans la litterature. En colonne arrosee, on utilisera les Eqs. (1) ou (3) pour les billes et (4) pour les anneaux Raschig suivant le modele d’ecoulement diphase. Le domaine d’application de chaque equation est determine par les diagrammes de Weekman et Myers[5] pour les billes ou de Charpentier et coll.[l] pour les anneaux Raschig. En colonne noyee, on utilisera les Eqs. (3) ou (4) suivant la forme du gamissage.
pour le liquide en colonne noyee
Remerciements-Nous remercions vivement le Dr. J. E. Buchanan, Professeur a l’universite de New South Wales, Kensington, Australie, pour l’aide precieuse qu’il nous a apportee lors des calculs numeriques effect& sur l’ordinateur IBM 1800 pendant son stage dans notre Laboratoire. Nous adressons Bgalement notre profonde gratitude a l’Institut Francais du Pdtrole pour les moyens financiers qu’il a mis a notre disposition dans cette etude.
5L=&A=-=- =
=a
EPe lPm
LA
M. BAKOS J. C. CHARPENTIER
pour le liquide en colonne arrosee
pour le gaz. De la m&me facon, il est a prtvoir que pour une forme de gamissage don& il faudra utiliser une relation entre le taux de retention et les termes CnergCtiques & et ec. Ainsi sur les Figs. 2 et 3, nous avons presentt l’ensemble de nos resultats experimentaux dans le diagramme Pne vs. X’ = V&& Comme prevu, ils se repartissent selon deux courbes dont les meilleures representations empiriques sont: log,, Pne = -0,280+
0,175 log,, x1-0,047
Department de Genie Chimique E.N.S.I.C. Centre de Cinetique Physique et Chimique C.N.R.S. Nancy, France
A” d D G L
(log,, X’), (3)
pour des billes poreuses et non poreuses a f 20 pour cent pres et: log,, fine = -0,570+
0,165 log,, X’-0,095
X X’ Lettres
Grecques
(log,, X’)*
P taux de retention du liquide, exprimt en pour
(4) pour les anneaux Raschig B? 40 pour cent p&s. Le domaine de validite de ces deux equations est:
Pne
PC
0,05 < X’ < 100
6
et correspond, comme nous l’avons vu, a des debits de fluides pour lesquels l’interaction gaz-liquide nest plus negligeable. CONCLUSIONS Nous avons presentt des relations permettant de prevoir le taux de retention non capillaire du liquide pour des ecoulement a co-courant vers le bas dans des colonnes a gamissage. Leur emploi ne necessite que la connaissance des pertes d’tnergie de chaque phase lorsqu’elle s’ecoule seule dans la
NOTATIONS exposant dans 1’Eq. (1) coefficient dans l’Eq. (1) diametre nominal du corps de gamissage, m diamttre de la colonne, m debit massique superficiel de gaz, kg.m-*.sec-’ debit massique superflciel de liquide, kg.m-*. set-’ =m L c nombres adimensionnels (avec les = a indices definis dans le texte)
5 AH/AZ E PG. PL7 Pe. Pfn
cent de vide intergranulaire du garnissage, P=&+& taux de retention non capillaire taux de retention capillaire force de frottement par unite de volume du gamissage (avec les indices d&finis dans le texte), m d’eaulm Cnergie de frottement par unite de volume du gamissage (avec les indices d&finis dans le texte), m d’eaulm chute de pression dans le gamissage (avec les indices d&finis dans le texte), m d’eaulm porosite du gamissage masse volumique du gaz, du liquide, de l’eau, moyenne des fluides, kg.m+
REFERENCES [l] CHARPENTIER J. C., PROST C. et LE GOFF P., Chem. Engng Sci. 1969 24 1777. [2] CHARPENTIERJ. C., PROST C., VAN SWAAIJ W. et LE GOFF P., Chim. Ind.-Genie [3] LARKlNSR.P.,WHlTER. R.etJEFFREY D. W.,A.I.Ch.E.JIl961 7231. [4] ERGUN S., Chem. Engng Prog. 1952 48 89. [5] WEEKMANV.W.etMYERSJ.E.,A.I.Ch.E.JIl96410951.
1825
chim. 1968 99 803.
Acknowledgment-The authors are indebted to I. Tirea for his help during the course of the experiments. Polytechnic Bucharest Rumania
Al. DIMIAN E. RUCKENSTElNt
Institute
tvisiting Professor York, U.S.A.
at Clarkson College, Potsdam, New
REFERENCES [l] LEVICH V. G., Physiocochemical Hydrodynamics. Prentice-Hall, New Jersey 1962. [2] LETAN R. and KEHAT E.,A. I. Ch. E. .I11968 14 398. 131 RUCKENSTEIN E., Chem. Engng Sci. 1969 24 419. [4] LOUTATY R., VIGNES A. and LE GOFF P., Chem. Engng Sci. 1969 24 1795. I.51 MAGARVEY R. H. and BISHOP R. L., Can.J. Phvs. 196139 1418. i6j MAGARVEY R. H. and MACLATHY C. S., A. I. kh. E. Jll968 14 260. [7] WINNIKOW S. and CHAO B. T., Phys. Fluids 1966 9 50.
Chemical Engineering Science, 1970, Vol. 25, pp. 1822- 1825.
Pergamon Press.
Printed in Great Britain.
Taux de rktention pour des houlements gaz-liquide h co-courant vers le bas dans les colonnes h garnissage arro.4 et noyh (Received
5 May 1970)
INTRODUCTION IL EXISTEun certain nombre de procedes industriels de contact gaz-liquide qui necessitent des Bcoulements a co-courant. On en trouvera des exemples dans le cas dune reaction chimique tres rapide et exothermique (oxydation ou halog&nation de composes organiques) ou dans certains proctdts d’hydrogenation pour l’industrie petroliere. Ce type d’ecoulement offre I’avantage de faire circuler des debits plus importants de chaque phase a travers le gamissage ou le catalyseur, contrairement aux ecoulements a contre-courant qui sont limit& par I’engorgement. Dans une publication recente [ 11, nous avons presentt des resultats exp&imentaux et formule une relation semiempirique pour predire la chute de pression dans des ecoulements gaz-liquide a co-courant vers le bas au sein d’une colonne gamie d’anneaux Raschig. Nous proposons maintenant un travail identique concernant le taux de re’tention du liquide avec quelques resultats experimentaux supplementaires pour des billes poreuses et non poreuses. On trouvera une description detaillee de I’installation, des proprietes physiques des fluides dans une publication precedente [2] pour des gamissages d’anneaux Raschig et dans le Tableau 1 pour des gamissages de billes avec le systeme eau-air. Nous rapellerons simplement que la mesure du taux de retention se fait par collection du liquide au bas de la colonne apres avoir interrompu simultanement I’arrivee et le depart des fluides respectivement a I’entree et a la sortie
de la colonne, le temps de collection &ant de 10 mn. Enfin, comme nous allons proposer, pour chaque type de garnissage, deux relations semi-empiriques selon le modele d’ecoulement gaz-liquide, nous rappellerons Cgalement les divers regimes rencontres dans la colonne lorsqu’en maintenant le debit liquid L constant, on introduit puis augmente progressivement le debit de gaz G. En colonne arrosCe pour laquelle initialement (G = 0) le liquide ruisselle sur le garnissage en pn%ence dune phase gazeuse a peu prts stagnante, on observe successivement: Un Ccoulement ruisselant de liquide en presence d’une phase gazeuse continue et mobile. Un dcoulement pour lequel le frottement du gaz provoque des rides a la surface du liquide. Eventuellement [ l] un Bcoulement pulse par bouchons alter&s de gaz et de liquide. Un dcoulement en brouillard oii une partie du liquide est entrainee par le gaz sous forme de gouttelettes. En colonee noyCe, pour laquelle initialement le liquide occupe tout le volume de vide du garnissage, on observe successivement: Un ecoulement a bulles de gaz dans le liquide continu. Un Ccoulement pulse. Un Ccoulement en brouillard. On voit ainsi que c’est seulement aux faibles debits gazeux que les colonnes noyees et les colonnes arrosees ont des comportements differents.
1822
Shorter Communications REPRESENTATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX Dans les colonnes arrosees, jusqu’a l’apparition Cventuelle de l’ecoulement pulse ou de l’ecoulement en brouillard,’ le frottement du gaz sur le liquide est faible et par suite le taux de retention reste a peu prbs constant [ I]. Sa valeur, pratiquement &gale a celle pour G = 0, est determinee par la relation bien connue:
au fur et a mesure que l’on augmente G. Dans ce cas, en considerant le melange gaz-liquide comme un fluide homogene equivalent, Larkins et calf. 131ont propose une formule semi-empirique reliant le taux de retention aux resultantes des forces de frottement BL du liquide et 6, du gaz exercees sur l’tlement de volume de fluide lorsque chaque phase s’ecoule seule dans le vide du garnissage: log*op,, = -0,774+0,525
&=A.L”
log,,X-0,109
(log,,X)Z
(2)
(1)
avec: oti A est une fonction du diamttre
du gamissage et des proprietes physiques du liquide et a est une fonction du type et de l’etat de surface du gamissage. On trouvera dans le publication [2] et dans le Tableau I les valeurs de A et a pour les garnissages de cette etude. On trouvera de plus dans la publication[2] les valeurs proposees par d’autres auteurs pour ces coefficients dans le cas de formes differentes de corps de remplissage. A partir de l’tcoulement en bulles pour les colonnes noytes et du regime pulse ou en brouillard pour les colonnes arresees, sous l’influence de la presence du gaz et du frottement gaz-liquide, le taux de retention diminue constamment
0,05 < x =
k < 30. J- %
Les termes SLet ijc se calculent aisement par des equations du type Ergun [4]. Sur la Fig. 1, nous avons present6 l’ensemble de nos resultats experimentaux dans le diagramme de Larkins et coif. et la courbe de ces auteurs avec sa marge d’erreur a & 20 pour cent. Les points sont tres disperses et se tipartissent suivant la forme du gamissage en deux zones distinctes auxquelles il pourrait correspondres dans ce systeme de coordonnees
Tableau 1 Nature des billes Verre alumine poreuse
Diametre
PorositC
(10-3m)
Granulometric (10-3m)
3
2,8-3,5
0,385
3
2-4
0,385
d
lo’
6)
Diametre de la colonne D (10-3m)
D/d
895
10
= 33
0,24
0,50
4,5
10
= 33
0,14
0,37
Taux de retention capillaire PC (%)
1
lo
Fig. 1. Comparison avec l’equation de Larkins.
1823
A
a
1
+20% -20%
,. /
10'4_
IO+
Fig. 2. Taux de retention non capillaire. Billes.
unc
Fig. 3. Taux de retention non capillaire. Anneaux Raschig.
1824
Shorter Communications deux courbes moyennes. II est par suite impossible de deduire une equation moyenne representative de l’ensemble. La representation de Larkins et ~011. est basee sur le modtle de fluide equivalent de masse volumique moyenne pm = pLp+pc( 1 - 0) se deplacant a la vitesse moyenne u, = u&l + uc (1 - fl). Dans l’etude [ 11 portant sur les pertes de charge, nous avons critique cette notion (les deux phases n’ont pas la m&me vitesse reelle au sein du gamissage) et nous avons demontrt qu’il fallait remplacer les termes S, et & deduits de bilnns de force par des termes & et & diduits de bikms d ‘&ergie avec:
colonne soit en Ccoulement monophase, soit en Ccoulement ruisselant, ces grandeurs &ant bien determinCes dans la litterature. En colonne arrosee, on utilisera les Eqs. (1) ou (3) pour les billes et (4) pour les anneaux Raschig suivant le modele d’ecoulement diphase. Le domaine d’application de chaque equation est determine par les diagrammes de Weekman et Myers[5] pour les billes ou de Charpentier et coll.[l] pour les anneaux Raschig. En colonne noyee, on utilisera les Eqs. (3) ou (4) suivant la forme du gamissage.
pour le liquide en colonne noyee
Remerciements-Nous remercions vivement le Dr. J. E. Buchanan, Professeur a l’universite de New South Wales, Kensington, Australie, pour l’aide precieuse qu’il nous a apportee lors des calculs numeriques effect& sur l’ordinateur IBM 1800 pendant son stage dans notre Laboratoire. Nous adressons Bgalement notre profonde gratitude a l’Institut Francais du Pdtrole pour les moyens financiers qu’il a mis a notre disposition dans cette etude.
5L=&A=-=- =
=a
EPe lPm
LA
M. BAKOS J. C. CHARPENTIER
pour le liquide en colonne arrosee
pour le gaz. De la m&me facon, il est a prtvoir que pour une forme de gamissage don& il faudra utiliser une relation entre le taux de retention et les termes CnergCtiques & et ec. Ainsi sur les Figs. 2 et 3, nous avons presentt l’ensemble de nos resultats experimentaux dans le diagramme Pne vs. X’ = V&& Comme prevu, ils se repartissent selon deux courbes dont les meilleures representations empiriques sont: log,, Pne = -0,280+
0,175 log,, x1-0,047
Department de Genie Chimique E.N.S.I.C. Centre de Cinetique Physique et Chimique C.N.R.S. Nancy, France
A” d D G L
(log,, X’), (3)
pour des billes poreuses et non poreuses a f 20 pour cent pres et: log,, fine = -0,570+
0,165 log,, X’-0,095
X X’ Lettres
Grecques
(log,, X’)*
P taux de retention du liquide, exprimt en pour
(4) pour les anneaux Raschig B? 40 pour cent p&s. Le domaine de validite de ces deux equations est:
Pne
PC
0,05 < X’ < 100
6
et correspond, comme nous l’avons vu, a des debits de fluides pour lesquels l’interaction gaz-liquide nest plus negligeable. CONCLUSIONS Nous avons presentt des relations permettant de prevoir le taux de retention non capillaire du liquide pour des ecoulement a co-courant vers le bas dans des colonnes a gamissage. Leur emploi ne necessite que la connaissance des pertes d’tnergie de chaque phase lorsqu’elle s’ecoule seule dans la
NOTATIONS exposant dans 1’Eq. (1) coefficient dans l’Eq. (1) diametre nominal du corps de gamissage, m diamttre de la colonne, m debit massique superficiel de gaz, kg.m-*.sec-’ debit massique superflciel de liquide, kg.m-*. set-’ =m L c nombres adimensionnels (avec les = a indices definis dans le texte)
5 AH/AZ E PG. PL7 Pe. Pfn
cent de vide intergranulaire du garnissage, P=&+& taux de retention non capillaire taux de retention capillaire force de frottement par unite de volume du gamissage (avec les indices d&finis dans le texte), m d’eaulm Cnergie de frottement par unite de volume du gamissage (avec les indices d&finis dans le texte), m d’eaulm chute de pression dans le gamissage (avec les indices d&finis dans le texte), m d’eaulm porosite du gamissage masse volumique du gaz, du liquide, de l’eau, moyenne des fluides, kg.m+
REFERENCES [l] CHARPENTIER J. C., PROST C. et LE GOFF P., Chem. Engng Sci. 1969 24 1777. [2] CHARPENTIERJ. C., PROST C., VAN SWAAIJ W. et LE GOFF P., Chim. Ind.-Genie [3] LARKlNSR.P.,WHlTER. R.etJEFFREY D. W.,A.I.Ch.E.JIl961 7231. [4] ERGUN S., Chem. Engng Prog. 1952 48 89. [5] WEEKMANV.W.etMYERSJ.E.,A.I.Ch.E.JIl96410951.
1825
chim. 1968 99 803.