Transfert de Matière by sparkunder12

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									Transfert de Matière




                       M. Hemati
                                      INTRODUCTION
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 rejets 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.


  SCHEMATISATION DU PROCEDE


                  Energie                          S et M : SEPARATION et/ou MELANGE
                                                   R : REACTEUR



 Matières                                       Produits

 Premières     S/M          R          S/M      Finis              Mécaniques
                                                                   (mélanges hétérogènes)
                                                                   Moyen : Energie

                                                           Séparateurs

             Matières                 Energie                      par Diffusion
                                                                   (mélanges homogènes)
                                                                   Moyen :Agent de séparation
             Pollution                Revalorisation               + Energie

                                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, NH3, d’un mélange homogène air-NH3).
                                                                                    AIR           Agent de
                                                                                                  séparation
Procédé de séparation : Absorption                                                                  EAU
                                                                                                                 (V)
                                                                                                                         Energie
                 Agents de séparation : Solvant (eau) + Energie                                                                    NH3
                                                                                                                                   (L)
                                       AIR
                                                                                                                 L       G

                                                                                       NH3 L
                                                                                                                  NH3
            Mélange
            NH3+AIR           +        H2O
                                                                                                                     H2O
                                                                        Mélange :         G                                    Agent de
                                                                        AIR + NH3                                              séparation

                                Solution aqueuse                                                                              Energie
              NH3                                                 H2O
                                  d’ammoniac                                                        P
                                                                                     Absorption                      P

                                     Energie
                                                                                                               Rectification
                                                                                                               Régénération

                                Figure 2                                                          Figure 3

                                         Figures 2 et 3 : séparation du mélange air-NH3

 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,
 - Energie 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 eau-
 ammoniac 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
 interfaces. 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 j (yj, xj) dans les deux phases en contact et en abscisse le sens du
transfert de ce constituant j, celui-ci étant supposé se faire de la phase α vers la phase β.

      Système                   Agent de séparation                           Opérations
                           Liquide –Energie thermique     Absorption Régénération de solvants
Gaz ou Vapeur              Liquide                        Trempe des gaz – refroidissement
                           Solide - Energie               Adsorption – Régénération d’adsorbants
                           Energie thermique              Rectification
                           Energie thermique              Evaporation
                           Energie thermique              Cristallisation
      Liquide              Gaz + Energie thermique        Entraînement à la vapeur
                           Liquide + Energie thermique    Extraction liquide-liquide

                           Solide + Energie thermique     Adsorption
                           Solide                         Echange d’ion
      Solide               Gaz + Energie thermique        Séchage de solide
                           Liquide                        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.

         yj      interface                                           yj      interface



                     yji                                                      yji
                                    .                                                         .
                                    Nj                                                        Nj
                            xji                                                     xji
       Phase α                      Phase β                        Phase α                    Phase β
                                         xj                                                        xj

 Tα                                      Tβ                   Tα                                   Tβ
                Sens du transfert                                         Sens du transfert

      Isotherme                                                              Non isotherme


Figure 4 : Profils de température et de composition : échangeur de matière à fonctionnement
isotherme et non isotherme (à l’interface les phases sont en équilibre ; yji en équilibre avec xji)
                       interface                                          interface
                             xji

        yj                                                                 yji
                                                                                 xji
 Phase α                                                        Phase α                          Phase β
                                            xj Phase β
                         yji
                                    .                                                  .    xj
                                    Nj                                                 Nj
                                                                                            Sens du transfert
                                            Sens du transfert

                Yji =m*xji     m*<1                                  Yji =m*xji     m*>1
                m*: paramètre d’équilibre                            m*: paramètre d’équilibre

Figure 5 : Profils de composition : effet de l’équilibre thermodynamique (à l’interface les phases
sont en équilibre ; yji en équilibre avec xji)

En général, les échangeurs de matière fonctionnent de façon continue et au voisinage des interfaces
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

								
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