Treatment of industrial wastewaters by freezing on cold surface
Traitement d’eaux usées industrielles par congélation sur paroi froide
Résumé
This work aims to study a process of industrial wastewater treatment by melt crystallization on a cold wall. Two effluent model solutions are chosen: water/acetone and water/propionic acid binary mixtures. First, the solid liquid phase diagrams are determined experimentally in order to delimit the operating range of temperature and concentration. Then, a parametric study of the wastewater treatment process by freezing is performed, by means of an experimental design, for two working modes, static mode and dynamic mode by adding a recirculation loop, respectively. The impurity concentration in the ice is analyzed after each freezing cycle. The process requires applying very precise conditions and the ice concentration mainly depends on the initial solution concentration and on the applied cooling rate. The ice microstructure is also characterized by optical microscopy in a cold chamber and gives insights into the mechanism of impurity incorporation: the liquid inclusions are localized under the form of solution pockets at low growth rate or between the polycrystals at higher growth rate. Lastly, 2D axisymmetric modelling of the process in static mode, based on finite elements and taking into account the moving boundary, shows the presence of buoyancy loops in relation with the density dependence of the solution with temperature. In dynamic mode, the hydrodynamics in the annular space is described by a 3D model to account for the positions of the inlet and outlet pipes. All the results demonstrate the process feasibility and allow better understanding of the occurring phenomena
Ce travail vise à étudier un procédé de traitement d'eaux usées industrielles par cristallisation en milieu fondu sur paroi froide. Deux effluents modèles sont choisis : un mélange eau/acétone et un mélange eau/acide propanoïque. Dans un premier temps, l'équilibre solide-liquide du mélange est étudié pour connaitre les limites de l'étude en température et en concentration. Le procédé de traitement de l'eau est alors conduit, selon un mode opératoire précis. Deux modes de fonctionnement sont mis en œuvre, un mode statique et un mode dynamique avec une circulation en boucle de la solution. La concentration en impuretés dans la glace est analysée après chaque cycle de congélation. L'étude paramétrique, conduite suivant un plan d'expériences, a mis en avant les effets importants de la concentration initiale de la solution et de la rampe de refroidissement. La microstructure de la glace est également analysée par microscopie en chambre froide pour interpréter les mécanismes d'incorporation d'impuretés au sein de la glace. Les inclusions de liquide sont sous la forme de poches de solution à faible vitesse de croissance et sont localisées dans les joints de grain à plus forte vitesse. Enfin, la modélisation du procédé fonctionnant en mode statique, par les éléments finis et en 2D axisymétrique avec frontière mobile, montre la présence de mouvements de convection. En mode dynamique, l'hydrodynamique de l'écoulement dans l'espace annulaire est décrite par une modélisation 3D prenant en compte la position de l'entrée et de la sortie. Les résultats démontrent la faisabilité du procédé et permettent des avancées significatives dans la compréhension des phénomènes mis en jeu
Domaines
Génie des procédés
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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