Contrôle du moussage dans les réacteurs à cuve agitée gaz-liquide

La formation de mousse est fréquente dans les procédés industriels gaz-liquide et souvent indésirable car elle peut engendrer des problèmes opérationnels et de productivité. Les agents antimousses chimiques, bien que couramment utilisés, peuvent perturber le transfert de masse, la cinétique réactionnelle et la qualité des produits, tout en posant des contraintes réglementaires dans des secteurs sensibles comme la pharmacie, l’agroalimentaire et la biotechnologie. Les méthodes mécaniques, telles que les brises-mousses (en ligne ou près de l’interface mousse-liquide), offrent des alternatives mais agissent après formation de la mousse, avec une forte consommation énergétique et des coûts supplémentaires. Ainsi, le contrôle du moussage via les conditions hydrodynamiques reste un enjeu industriel majeur.Cette étude expérimentale explore l’influence des conditions opératoires, de la géométrie et des propriétés du liquide sur la formation de mousse dans des réacteurs agités gaz-liquide. Les effets du type d’agitateur (turbine et hélice), du débit de gaz, de la vitesse de rotation, de la hauteur d’implantation du mobile, du type de diffuseur (anneau et diffuseur à bulles fines), de la concentration en tensioactif et de la viscosité du liquide ont été étudiés dans différents régimes d’écoulement. La mesure de la hauteur de mousse a servi d’indicateur, associée à des mesures classiques (consommation de puissance, taux de rétention gazeuse, taille et vitesse des bulles) et aux aspects physico-chimiques. Les résultats montrent que le régime d’écoulement gaz-liquide, dépendant de la vitesse d’agitation, du débit de gaz et de la capacité de dispersion des bulles, joue un rôle clé. Les bulles de petite taille génèrent davantage de mousse et un taux de rétention de gaz plus élevé, tandis que les grosses bulles limitent ces phénomènes. La quantité de mousse augmente avec la vitesse d’agitation lors du passage du régime de chargement à celui de dispersion totale, puis diminue à vitesse élevée par la réincorporation des bulles dans le liquide.Le type de mobile d’agitation et le diffuseur influencent fortement la taille des bulles, la dispersion du gaz et la stabilité de la mousse. L’hélice fonctionnant en pompage vers le haut associée à un diffuseur annulaire s’avère la plus efficace pour limiter la mousse en favorisant la réincorporation des bulles. La hauteur d’implantation de l’agitateur a un effet limité : une position près du fond augmente légèrement la hauteur de mousse, une position plus haute n’a pas d’impact significatif. La viscosité du liquide a un effet non linéaire, la hauteur de mousse augmentant jusqu’à environ 10 mPa·s, avant de diminuer. Cela traduit un compromis entre drainage réduit et petites bulles à viscosité modérée, et la baisse d’efficacité de dispersion à viscosité élevée. L’augmentation de la concentration en tensioactif accroît quant à elle systématiquement la formation et la stabilité de la mousse. Des corrélations adimensionnelles ont été établies pour prédire la hauteur de la mousse selon les conditions opératoires, intégrant les nombres de Reynolds, Weber, Froude, d’aération et l’implantation de l’agitateur. Ces modèles décrivent assez correctement les tendances observées à l’échelle du laboratoire. Enfin, l’étude a été étendue à un réacteur de plus grande taille pour évaluer plusieurs lois de changement d’échelle (invariants opératoires) : vitesse périphérique, puissance volumique, vitesse superficielle de gaz et nombre d’aération. Les prédictions ne donnent pas entière satisfaction ce qui rappelle la complexité des phénomènes mis en oeuvre et les limites des approches monovariables. Cependant, les connaissances acquises à petite échelle sont précieuses pour mieux maîtriser la formation de mousse à l’échelle industrielle.