Hydrodynamique et instabilité interfaciale au service de l’efficacité des procédés de distillation
L’efficacité de séparation des espèces d’une colonne de distillation est fortement conditionnée par la dynamique interfaciale des films liquides ruisselants qui y permettent le transfert de chaleur/masse inter-phases. Par le contrôle de cette dynamique, il est proposé d’augmenter les transferts tout en évitant les conditions critiques associées à l’engorgement de la colonne.
La séparation de l’air par voie cryogénique, c’est-à-dire en refroidissant le gaz en dessous de son point d’ébullition, représente une empreinte importante dans le budget énergétique de l’industrie chimique. Ainsi, Air Liquide, leader mondial du secteur, indique une consommation électrique globale de 3 GW pour ses unités de séparation. Toutefois, l’efficacité du procédé, qui se déroule au sein de colonnes de distillation reste, à 30 %, relativement faible. Le projet wavyFILM vise à augmenter cette efficacité en se concentrant sur l’élément clé du procédé : le transfert de masse à travers la surface libre des films liquides ruisselants générés au sein des colonnes de distillation pour permettre le contact entre phases liquide et gazeuse. Il est proposé d’exploiter l’instabilité interfaciale de ces films tombants en générant des ondes de surface à propriétés contrôlées afin d’augmenter le transfert de masse inter-phases en s’approchant mais en évitant les conditions critiques menant à l’engorgement de la colonne. Ceci permettra d’identifier les régimes de films tombants optimaux ainsi que les méthodes de contrôle pour les produire et facilitera une conception beaucoup plus ambitieuse des colonnes de distillation. Par ailleurs, les résultats pourront être extrapolés à d’autres procédés faisant intervenir des échangeurs de masse/chaleur diphasiques.
Le projet associera une recherche fondamentale, reposant sur des simulations numériques directes et des expériences sous conditions ambiantes, effectuées dans les laboratoires LIMSI et FAST du CNRS/Université Paris-Saclay, à des expériences cryogéniques proches des conditions réelles de la séparation de l’air au centre de recherche « Paris-Saclay » d’Air Liquide. Les simulations numériques diphasiques hautement résolues permettront de caractériser finement le transfert de masse/chaleur à travers la surface libre du film tombant. Des mesures optiques non intrusives de la topologie interfaciale du film ainsi que du champ de température associé permettront de valider ces simulations. Ces méthodes auront pour but d’élucider les mécanismes régissant l’effet des ondes de surface sur le transfert inter-phases et sur différents scénarios d’engorgement. Cela permettra d’identifier les stratégies à adopter pour générer des régimes optimaux de films tombants. Ces stratégies seront confrontées aux expériences réalisées sous conditions cryogéniques afin d’estimer leur pertinence et viabilité dans le contexte de conditions d’opération proches des procédés réels. Un processus itératif appuyé sur ces trois méthodes permettra tout au long de la durée du projet de sélectionner les stratégies d’optimisation les plus robustes et efficaces.