GÉNIE CHIMIQUE

Transferts entre phases

Dans le cas d'opérations unitaires, l'organe élémentaire d'échange est l'«  étage » ou «  plateau », élément technologique fondamental qui a pour fonction de mettre en contact les phases afin de provoquer des transferts de matière, de les mélanger intimement jusqu'à l'obtention d'un état proche de l'équilibre, puis de les séparer (fig. 3). Lorsque les phases issues de cet étage sont en équilibre entre elles, au sens thermodynamique du terme, l'étage est dit théorique ou parfait, offrant ainsi une efficacité de 100 p. 100.

Un étage, même parfait, assure rarement à lui seul l'enrichissement désiré. Souvent, une série d'étages est employée, la variation de concentration étant d'autant plus importante que le nombre d'étages est plus élevé. Au fur et à mesure que les phases progressent dans les appareils, elles subissent un enrichissement ou un appauvrissement, mais l'évolution du transfert de matière dépend surtout du mode de mise en contact qui a été retenu. Fondamentalement, il existe trois modes de mise en contact des phases, comme le montre la figure 4 :

– les échangeurs à contre-courant, dits encore méthodiques, assurent les efficacités de séparation les plus grandes, permettant la sortie de deux phases complètement purifiées aux deux extrémités de l'appareil ;

– les échangeurs à co-courant, ou antiméthodiques, pour lesquels les phases sortent au mieux en équilibre mutuel comme si elles étaient intimement mélangées, si bien que cette solution équivaut à un seul étage théorique ;

– les échangeurs à courants croisés ; cette disposition autorise des échanges multiphases, mais avec des temps de contact généralement courts entre les phases, car elles ne cheminent pas ensemble.

Types d'écoulements

Parallèlement aux trois types d'échangeurs mentionnés précédemment, il convient de prendre en considération la nature de l'écoulement et la distribution des temps de séjour qui en résultent. Il existe deux situations limites :

– L'écoulement piston, caractérisé par le fait que tous les éléments situés dans une section droite d'un échangeur tubulaire progressent à la même vitesse, comme poussés par un piston. Le temps de séjour dans l'échangeur est théoriquement le même pour tous les éléments d'un même courant : on obtient de la sorte un traitement très uniforme de la matière.

– Le mélange parfait, qui se traduit par l'uniformité des propriétés physico-chimiques (concentration, température) en tout point de l'appareil. En réalité, il y a lieu de distinguer entre macromélange à l'échelle de l'appareil et micromélange à l'échelle d'éléments différentiels. Dans le cas d'un fonctionnement continu, le mélange parfait donne lieu à un saut brusque de concentration à l'entrée dans l'appareil. Mais sa caractéristique majeure est surtout la dispersion ou distribution des temps de séjour (D.T.S.) des éléments d'une même phase : certains quittent l'appareil dès l'introduction en véritable court-circuit, d'autres séjournent très longtemps par suite de recirculations. C'est un gros inconvénient auquel il importe de remédier. Une solution est de mettre en série plusieurs mélangeurs parfaits, car on réduit ainsi l'écart de dispersion.

Toute unité réelle de transformation de la matière présente un cas intermédiaire entre, d'une part, la situation du mélangeur (parfait ou non), avec éventuellement un court-circuit ou, à l'inverse, de véritables zones mortes, et, d'autre part, la situation de l'écoulement piston avec un mélange longitudinal plus ou moins accentué.

Techniques de mise en contact de séparation de phases

Les quantités de matière (ou de chaleur) échangées ou transformées dans une opération industrielle sont proportionnelles à une différence de potentiel et à la surface offerte. On a donc intérêt à avoir une surface maximale par unité de volume de contacteur. Dans ce but, on utilise des milieux « dispersés » constitués, par exemple, par des bulles de gaz dans un liquide ou par de fines particules dans un courant fluide. Dans tous les cas, on essaie de maintenir une surface de contact importante en évitant, si c'est nécessaire, les phénomènes de coalescence entre les gouttes ou entre les bulles de gaz. Pour obtenir de bonnes intensités de transfert, il est essentiel que les tailles des globules ou des particules soient petites, et aussi relativement uniformes. On s'oriente de plus en plus vers l'utilisation de contacteurs à trois phases, par exemple la fluidisation de particules solides par un liquide avec injection de gaz. Des applications intéressantes sont envisagées en bio-industrie.

On trouvera au tableau 2 un classement des techniques de mise en contact des phases selon leur mobilité relative et le mélange qu'elles produisent. L'échange réalisé, on sépare les phases. Dans la majorité des cas, cette opération ne se fait pas aisément, car les propriétés physiques dont l'influence a été bénéfique pour la mise en contact (masse volumique, tension superficielle, viscosité) s'opposent à la séparation. On peut classer les opérations de séparation en fonction de la nature du champ de force appliquée : champ de gravité (décantation), champ de pression (filtration), etc.