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Thèse Sylvain Pasquier

21 juillet

Modeling two-phase flows in columns equipped with structured packings : a multiscale porous medium approach

Soutenance de thèse Sylvain Pasquier

Lundi 25 septembre à 10 h 00 (A confirmer) Amphithéâtre Nougaro

Résumé

La technologie la plus utilisée pour séparer les principaux composants de l’air est aujourd’hui la distillation en colonne à garnissage structuré. Ce procédé se caractérise par un écoulement gaz-liquide contre-courant au sein d’une structure constituée de plaques corruguées placées parallèlement et agencées en packs. La description d’un tel procédé est rendue difficile par les très grandes dimensions du système et par la complexité des phénomènes à la petite échelle. La méthode de la prise de moyenne volumique, utilisée pour les problèmes de changement d’échelle en milieu poreux, est utilisée pour décrire le système à une échelle qui permet une résolution. Le travail est organisé en trois étapes.

Dans un premier temps, pour les débits modérés, une méthode est proposée pour évaluer la perte de charge au sein de la structure en prenant en compte des rugosités de structure ou créées par des instabilités du film liquide. A ce stade, l’effet de la surface rugueuse est caractérisé par une condition limite effective. Le problème aux limites effectif pour la phase gaz est ensuite moyenné en volume pour obtenir un système d’équations à grande échelle. Le bilan de quantité de mouvement à grande échelle est une loi de Darcy généralisée aux écoulements inertiels, dans laquelle les paramètres effectifs contiennent les effets des instabilités de surfaces de la petite échelle.

La seconde étape est dédiée à l’interaction entre les deux phases à plus hauts débits. On montre que des modèles qui incluent explicitement des termes croisés à grande échelle permettent de décrire l’écoulement au sein du garnissage à grands nombres de Reynolds. Plus généralement, ces modèles, peu utilisés dans la littérature sur les milieux poreux, s’avèrent adaptés pour les écoulements dans les milieux très perméables, pour lesquels des variations importantes de la perte de charge et des saturations sont observées.

Enfin, on s’intéresse à la description de la distribution de la phase liquide au sein de la structure de garnissage. Une approche multiphasique, où la phase liquide est séparée en plusieurs pseudo-phases, est adaptée pour modéliser l’anisotropie de l’écoulement. Deux méthodes impliquant une approche à deux pseudo-phases et une approche à quatre pseudo-phases pour la phase liquide sont comparées. Cette dernière méthode est notamment utile pour décrire des régimes d’écoulement très différents, et permet de capturer à grande échelle les chemins préférentiels suivis par le film liquide au sein du garnissage.

Abstract

Distillation in columns equipped with structured packings is today the mostused technology for separating air in its primary components. This process is characterizedby a counter-current gas-liquid flow in a structure made of parallel corrugated sheets arranged in packs. The description of such system is constrained by the large dimensions of the columns and by the complexity of the local-scale phenomena. This leads to consider a strategy of upscaling, based on the volume averaging method, to describe the system at a scale at which a resolution is possible. The work is organized in three steps.

As a first step, considering moderate flow rates, a methodology of upscaling is developed to predict the pressure drop in the flow of the gas phase taking into account small scale roughnesses due to the structure itself or perturbations of the liquid film. At this stage, the effect of this rough surface is characterized by an effective boundary condition. The boundary value problem for the flow of the gas phase is volume averaged in order to derive a system of equations at large scale. The resulting momentum balance is a generalized Darcy’s law for inertial flows, involving effective parameters accounting for the roughness at the microscale.

The second step of this work focuses on the interaction between the two phases at higher flow rates. It is shown that models involving non-standard macroscopic cross-terms are more prone to describe the flow in packings at high Reynolds numbers than the models usually used in porous media sciences. More generally, these models are shown to characterize accurately processes in highly permeable media, where drastic changes of pressure dropand retention are observed.

We finally study the distribution of the liquid phase in the structured packing. It is shown that a specific approach involving a multiphase model with liquid decomposition is required to capture the anisotropy generated in the flow of the liquid phase. Two methods involving two pseudo-phases and four pseudo-phases for the liquid phase are compared.This last method captures a number of very different distribution regimes in the column and offers additional flexibility to describe preferential paths of the liquid.

Jury :

Directeurs de thèse :
Michel QUINTARD, Directeur de Recherche, IMFT

Encadrant de Thèse :
Yohan DAVIT, Chargé de Recherche, IMFT

Rapporteurs :

Didier LASSEUX Directeur de Recherche, I2M
Ludovic RAYNAL Ingénieur, IFP Energies Nouvelles

Membres du Jury :

Véronique ROIG Professeur d’Université, IMFT
Florian FICHOT Ingénieur Chercheur, IRSN

Invité :
Guillaume MOUGIN Ingénieur, Air Liquide