Liquid-liquid mass transfer characterization applied to metallurgical process - Thèses de l'Université Pierre et Marie Curie Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Liquid-liquid mass transfer characterization applied to metallurgical process

Caractérisation du transfert de masse à l’interface liquide-liquide dans les procédés sidérurgiques

Nelson Joubert

Résumé

L’objectif de cette thèse est de caractériser le transfert de masse entre l’acier liquide et une autre phase liquide dans le cas d’une cuve industrielle agitée avec injection d’argon utilisée dans les procédés sidérurgiques. Lors de cette étude on considère uniquement l’influence de l’écoulement généré par l’injection de gaz sur le transfert de masse. Pour ce faire on utilise une maquette à eau du procédé développée à ArcelorMittal Maizières Research utilisant de l’air, de l’eau et de l’huile à température ambiante. De plus, on utilise une simulation directe avec maillage adaptatif dynamique avec le code Basilisk pour reproduire la configuration de la maquette. Dans un premier temps on étudie l’hydrodynamique de la maquette en mesurant la surface de l’« open eye » et la fragmentation de la couche d’huile sous l’effet de l’injection d’air. Nos résultats expérimentaux et numériques montrent que la surface de l’« open eye » augmente avec le débit d’air en accord avec les résultats de la littérature. On observe aussi que la fragmentation de la couche d’huile a lieu pour des débits similaires dans l’expérience et la simulation. Dans la deuxième partie de cette thèse, on mesure expérimentalement le transfert de masse du thymol entre l’eau et l’huile lorsque le débit d’air varie. Les résultats expérimentaux montrent que le transfert de masse augmente de manière abrupte lorsque le débit d’air dépasse une valeur critique en accord avec les résultats de la littérature. De plus, la transition entre les différents régimes de transfert de masse est corrélée à la fragmentation en continu de la couche d’huile en gouttes d’huile. Pour simuler cette configuration de transfert de masse complexe plusieurs hypothèses ont dû être effectuées. En raison de la trop faible taille de la couche limite de concentration due à la faible valeur du coefficient de diffusion du thymol dans l’eau on considère un coefficient de diffusion plus élevé dans la simulation. Les résultats numériques représentent qualitativement bien la configuration du transfert de masse de la maquette avec une variation de la concentration principalement le long de l’interface eau huile. Cependant, à partir de la quantité limitée de simulations on n’observe pas d’augmentation abrupte du transfert de masse comme dans les résultats expérimentaux. Enfin, des corrélations pour prédire le transfert de masse ont été établis à partir d’analyse basée sur la théorie de la couche limite. Ces corrélations donnent de relativement bonne prédiction du premier régime de transfert de masse pour chaque expérience. Néanmoins, en utilisant ces corrélations l’extrapolation des résultats numériques vers le faible coefficient de diffusion correspondant au cas expérimental surestime les résultats expérimentaux.
This dissertation aims to characterize the mass transfer between liquid steel and another liquid phase in the case of an industrial argon gas bottom blown ladle used in metallurgical processes. In this study, we consider only the influence of the flow generated by the gas injection on the mass transfer. To do so we use a reduced-scale water experiment of the process developed in ArcelorMittal Maizières Research using air, water and oil at ambient temperature as fluids model. Besides, we use Direct Numerical Simulation with dynamic adaptative mesh to reproduce the water experiment with the Free Software library Basilisk. We first study the hydrodynamics of the experiment by measuring the open-eye area and the fragmentation of the oil layer due to the air injection. Our experimental and numerical results reveal that the open eye area increases following the air flow rate and also show fragmentation of the oil layer at the same critical air flow rate in agreement with the literature. In the second part of this dissertation, we measure experimentally the mass transfer of thymol between the water and oil phase while the air flow rate varies. Our experimental results show that the mass transfer presents an abrupt increase when the air flow rate is above a critical value in accord with the literature. Moreover, the transition of the different mass transfer regime appears to be correlated with the continuous fragmentation of the oil layer into oil droplets. In order to simulate the complex water experiment mass transfer configuration, several assumptions need to be done. Furthermore, due to the exceedingly thin concentration boundary layer induced by the low experimental diffusion coefficient of thymol in water, we considered a higher diffusion coefficient in the simulation. The numerical results represent qualitatively well the mass transfer configuration of the water experiment with variation of the concentration essentially at the water-oil interface. However, from the limited amount of numerical results, we do not clearly observe an abrupt increase of the mass transfer as observed experimentally. Finally, using a boundary layer theory we established correlations to predict the mass transfer. These correlations give a good prediction of the first mass transfer regime for each specific experimental configuration. On the other hand, using these correlations to extrapolate the numerical results to the low experimental diffusion coefficient leads to an overestimation of the experimental mass transfer results.
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Dates et versions

tel-03227840 , version 1 (17-05-2021)
tel-03227840 , version 2 (17-11-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03227840 , version 1

Citer

Nelson Joubert. Liquid-liquid mass transfer characterization applied to metallurgical process. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Sorbonne Université / Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03227840v1⟩

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