Transfert de Matière M Hemati
ITRODUCTIO Tout procédé de transformation de la matière, qu il soit chimique ou biologique, consiste en une séquence d opérations qui peuvent être rangées sous deux rubriques : Réacteur siège de la transformation, Séparation et/ou Mélange Ces dernières concernent le traitement de la matière première et la séparation des produits issus de la réaction, celle-ci n étant en général ni totale ni sélective, ce qui implique un recyclage des matières premières ainsi que des reets de matière Quant aux procédés dits «physiques», ils ne comportent que les opérations de séparation et/ou mélange Les séparateurs peuvent être divisés en deux familles : «Mécaniques» (M) «Diffusionnels» (D) Les premiers concernent, bien que ce ne soit pas une règle générale absolue, la séparation de systèmes hétérogènes (au sens macroscopique du terme) On peut citer les opérations de filtration, décantation, centrifugation, sédimentation, pressage, flottation L énergie nécessaire à ces opérations est de l énergie mécanique, d où leur nom : c est par exemple de l énergie de mise en circulation avec ou sans mise en pression, d entraînement de rotors à plus ou moins grande vitesse, de pressage La consommation énergétique est en général faible SCHEMATISATIO DU PROCEDE S et M : SEPARATIO et/ou MELAGE R : REACTEUR Matières Produits Premières S/M R S/M Finis Mécaniques (mélanges hétérogènes) Moyen : Séparateurs Matières Pollution Revalorisation par Diffusion (mélanges homogènes) Moyen :Agent de séparation + Figure 1 : Schématisation du procédé
Quant aux seconds, ils sont plus complexes, plus chers sur le plan énergétique et concernent, en général, la séparation de mélanges «homogènes» comme par exemple l épuration de gaz, la séparation par rectification de coupes pétrolières liquides, l extraction d huile de graines Ils nécessitent un agent de séparation et peuvent être schématisés de la façon suivante (cas de la récupération de l ammoniac, H 3, d un mélange homogène air-h 3 ) Procédé de séparation : Absorption Agents de séparation : Solvant (eau) + Mélange H 3 +AIR + AIR H 3 Solution aqueuse d ammoniac AIR Agent de séparation EAU H L 3 Mélange : G AIR + H 3 P Absorption Figure 2 Figure 3 (V) H 3 (L) L G H3 Agent de séparation P Rectification Régénération Figures 2 et 3 : séparation du mélange air-h 3 La séparation peut être plus ou moins sélective, suivant le prix payé (énergie, investissement) La raison en est que ces systèmes donnent lieu à des équilibres thermodynamiques entre phases Les agents de séparation peuvent être de deux sortes : - Phase immiscible (ou partiellement miscible) avec le mélange initial, - sous différentes formes : thermique, mécanique, électrique qui dans certains cas permet de générer in situ une seconde phase La plupart du temps, on mettra en œuvre deux opérations unitaires couplées comme, par exemple, pour l élimination d ammoniac d un mélange air-ammoniac La première étape consiste en une absorption de l ammoniac par l eau (agent de séparation) ; dans la seconde, le mélange eauammoniac est séparé par rectification avec apport d énergie qui constitue le second agent de séparation Une représentation plus détaillée est donnée sur la figure 3 Dans la colonne d absorption, l ammoniac est transféré de la phase gaz dans la phase liquide alors que dans la colonne de rectification l ammoniac passe de la phase liquide dans la phase vapeur générée par l apport d énergie : dans ces deux appareils il a été réalisé un transfert de matière Quelques opérations de séparation par diffusion ainsi que les agents de séparation correspondants sont rapportés dans le tableau 1 Dans toutes les opérations de séparation par diffusion, de la matière est échangée entre phases, que ce soit au niveau molécule, ion, Il s en suit donc un changement d état physique au niveau des s L effet thermique résultant peut être plus ou moins important suivant la nature des phases en présence Dans le transfert entre phases liquide-liquide ou liquide-solide le constituant échangé passe d un état condensé à un autre état condensé, l effet thermique résultant de ce transfert est faible Par contre, dans les échanges de matière entre phases gaz (ou vapeur) et liquide ou solide, il y a passage d un état non condensé à un état condensé, l effet thermique est alors important Ces deux
cas sont illustrés sur la figure 4 sur laquelle sont portés en ordonnées les températures ainsi que les fractions molaires du constituant (y, x ) dans les deux phases en contact et en abscisse le sens du transfert de ce constituant, celui-ci étant supposé se faire de la phase α vers la phase β Système Agent de séparation Opérations thermique Absorption Régénération de solvants Trempe des gaz refroidissement Solide - Adsorption Régénération d adsorbants Gaz ou Vapeur thermique thermique thermique Gaz + thermique + thermique Rectification Evaporation Cristallisation Entraînement à la vapeur Extraction liquide-liquide Solide Solide + thermique Solide Gaz + thermique Adsorption Echange d ion Séchage de solide Extraction par solvant (Extraction solide-liquide) Tableau 1 : Quelques opérations de séparation par diffusion L effet thermique résultant du changement d état est à l origine de transfert de chaleur qui se superpose aux transferts de matière, et bien entendu de quantité de mouvement L opération unitaire (séparation) apparaît alors comme la résultante de la combinaison de ces trois types de transfert : leur étude constitue le second effort de synthétisation, postérieur de près de 60 ans à l apparition du concept d opération unitaire Plus complexe apparaît l étude du réacteur : c est qu aux trois types de transfert précédemment décrits vient se superposer la réaction chimique dont les lois cinétiques sont nombreuses et plus complexes que les lois physiques relatives aux transferts y y y i y i x i x i x x T α T β T α T β Isotherme on isotherme Figure 4 : Profils de température et de composition : échangeur de matière à fonctionnement isotherme et non isotherme (à l les phases sont en équilibre ; y i en équilibre avec x i )
x i y y i x x i y i x Y i =m*x i m*<1 m*: paramètre d équilibre Y i =m*x i m*>1 m*: paramètre d équilibre Figure 5 : Profils de composition : effet de l équilibre thermodynamique (à l les phases sont en équilibre ; y i en équilibre avec x i ) En général, les échangeurs de matière fonctionnent de façon continue et au voisinage des s se développent soit des films soit des couches limites en écoulement laminaire alors que les fluides sont en écoulement turbulent Or, suivant le type d écoulement, le mécanisme de transfert est fondamentalement différent : nous serons donc amenés à étudier ces deux types de transfert en régime permanent et en régime transitoire (certaines théories de transfert considèrent d ailleurs le régime permanent comme une succession d étape transitoire), en conséquence nous proposons le plan suivant : -Définition des outils Diffusion moléculaire : densité de flux Coefficient de diffusion -Application au transfert Transfert dans une phase (régime transitoire, écoulement laminaire) Transfert dans une phase (régime permanent, écoulement laminaire) Coefficient de transfert Transfert entre phases