Étude expérimentale des écoulements liquides dans un garnissage de distillation

Perforations assist in redistributing the liquid film on the complex surface of corrugated andperforated metallic sheets of structured packing, used in distillation columns. Depending on the inertial, gravitational, viscous, and capillary contributions, falling liquid film undergoes different modes of transition (rim, jet, drops, or liquid curtain) in the perforation, promoting the exchange of liquid between two faces.Our objective is to examine the hydrodynamics of these modes. We constructed an experimental setup to study the modes of transition and liquid film repartition. A simplified geometry, yet pertinent, is considered to characterize the role of perforations in corrugated and perforated packing. The basic configuration consists of a falling liquid film on a vertical aluminium plate. The feed rate can be controlled either on one or both sides.The modes of transition depend on the geometry of the perforation and the physical properties of the liquid. The curtain mode, when liquid fully fills the perforation, is associated with profound modifications of the flow pattern. In addition, it exhibits strong hysteresis and presents stationary capillary waves. In actual distillation columns, the same phenomenon is expected to favour liquid distribution. We experimentally studied the criteria of liquid curtain formation for a wide range of parameters. Based on the theory of force balance, a model predicting the criteria of curtain formation is proposed.The liquid leaked through the perforations flows like a rivulet, spreading along the length of the plate. At first, we experimentally investigated the efficiency of liquid transfer for various parameters (spacing, number of holes, and diameter) and modes of transition. A recurrence model is proposed, which suitably predicts the transfer flow rate downstream any given row of perforations. The rivulet retains a shape similar to a Gaussian or exponential distribution, decaying along the flow direction. The rivulets from a row of perforations spread and merge into a continuous wavy film, exhibiting a power-law behavior. Eventually, they equalize to a flat film. We propose a length scale to predict the merging.In curtain mode, liquid films on perforated plates account for intensive capillary waves and strong recirculation zones, highly influencing mass transfer. To further investigate, we adopted a new optical technique of Lagrangian Particle Tracking Velocimetry with the notion of defocus. This technique is based on the measurement of the defocussed sizes of particles. This size, being a function of the distance from the focal plane, it is thus possible to determine the position of particles in three dimensions. The measurement technique is validated by measuring the velocity of the liquid film on a flat aluminumplate. Optical distortions from the reflective surface of aluminum were kept to a minimum by using fluorescent particles. The recirculating structures in the liquid curtain are quantified using histogram maps of the negative velocity vectors, particle tracking through its trajectory from supported film to suspended film. We also use Dynamic Mode decomposition to examine the spatial modes within the curtain.Les perforations favorisent la redistribution du film liquide sur la surface complexe des garnissages structurés du type ondulés-croisés et perforés utilisés dans les colonnes de distillation. En fonction des contributions inertielle, gravitaire, visqueuse, et capillaire, on imagine différents modes de franchissement des perforations, en bourrelet, en jet, en gouttes ou en nappe liquide, avec un échange de liquide entre les deux faces plus ou moins important.Notre objectif est d'examiner l'hydrodynamique des différents mécanismes de passage de la phase liquide d’une surface de garnissage à l’autre. Pour ce faire, nous avons construit un dispositif expérimental afin d'étudier les modes de transition et d'étalement du film liquide. Une géométrie simplifiée, mais très pertinente, est considérée pour la caractérisation du rôle des perforations dans les garnissages ondulés et perforés. Notre configuration de base sera un écoulement de film tombant le long d’une feuille d’aluminium verticale. La plaque pourra être alimentée sur une ou deux faces.Les modes de transition varient en fonction de la géométrie de la perforation et des propriétés physiques du liquide. La nappe liquide, lorsque le liquide remplit entièrement la perforation, est associée à de profondes modifications du régime d'écoulement. En outre, elle présente une forte hystérésis et des ondes capillaires immobiles. Dans les colonnes de distillation industrielle, on imagine que le même phénomène favorise la distribution du liquide. Dans cet esprit, nous avons étudié les critères de formation de la nappe liquide pour une variété de paramètres. Ensuite, à partir des données expérimentales, nous avons établi un modèle mathématique simple, basé sur la théorie de l'équilibre des forces, afin de prédire les critères de formation de la nappe.Le liquide transféré à travers des perforations s'écoule comme un ruisselet se répartissant sur toute la longueur de la plaque. Nous avons d’abord étudié expérimentalement l'efficacité du transfert de liquide à travers des trous pour différents paramètres (l’espacement, le nombre de trous et le diamètre) et le régime de transition. Pour prédire un débit transféré en aval d’une rangée de perforations et ce, quelle que soit la rangée, un modèle de récurrence a été proposé. Le ruisselet conserve une forme similaire à une distribution gaussienne ou exponentielle, qui décroît dans le sens de l'écoulement. À partir d'une rangée de perforations, ils s'étendent et fusionnent en un film ondulé continu, qui présente un comportement de loi de puissance. Ils finissent par s'égaliser en un film plat. Nous avons proposé une longueur caractéristique pour prédire la fusion.La nappe liquide sur la plaque perforée présente des ondes capillaires intenses et de fortes zones de recirculation, un impact important sur le transfert de masse. Pour la caractériser, une technique de mesure de vitesse 3D par suivi de particules, basée sur le principe de défocalisation, est adoptée. La défocalisation étant fonction de la distance au plan focal, il est ainsi possible de connaître la position de la particule en trois dimensions. Une première validation de cette technique a été réalisée en mesurant la vitesse du film liquide sur une plaque plane d'aluminium. Grâce à l'utilisation de particules fluorescentes, les distorsions optiques dues à la surface réfléchissante de l'aluminium ont été réduites.La nappe liquide a été caractérisée à l'aide de cartes d'histogrammes, des vecteurs de vitesse négative et du suivi des particules à travers leurs trajectoires du film supporté au film suspendu (twin films). Nous avons également appliqué la décomposition en modes dynamiques pour examiner des modes spatiaux au sein de la nappe liquide