Transfert de Matière

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 :
¾ « Mécaniques » (M)
¾ « 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
S et M : SEPARATION et/ou MELANGE
R : REACTEUR
Energie
Matières
Premières
Produits
S/M
R
S/M
Finis
Mécaniques
(mélanges hétérogènes)
Moyen : Energie
Séparateurs
Matières
Energie
Pollution
Revalorisation
par Diffusion
(mélanges homogènes)
Moyen :Agent de séparation
+ 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).
Agent de
séparation
EAU
AIR
Procédé de séparation : Absorption
(V)
Energie
Agents de séparation : Solvant (eau) + Energie
NH3
(L)
AIR
L
NH3 L
Mélange
NH3+AIR
+
G
NH3
H2O
H2O
Mélange :
AIR + NH3
NH3
Solution aqueuse
d’ammoniac
G
Agent de
séparation
Energie
H2O
P
P
Absorption
Rectification
Régénération
Energie
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 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
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
Gaz ou Vapeur
Liquide
Solide
Agent de séparation
Liquide –Energie thermique
Liquide
Solide - Energie
Energie thermique
Energie thermique
Energie thermique
Gaz + Energie thermique
Liquide + Energie thermique
Opérations
Absorption Régénération de solvants
Trempe des gaz – refroidissement
Adsorption – Régénération d’adsorbants
Rectification
Evaporation
Cristallisation
Entraînement à la vapeur
Extraction liquide-liquide
Solide + Energie thermique
Solide
Gaz + Energie thermique
Liquide
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.
interface
yj
yji
interface
yj
yji
.
Nj
xji
Phase α
.
Nj
xji
Phase β
Phase α
Phase β
xj
Tα
Tβ
Sens du transfert
Isotherme
xj
Tα
Tβ
Sens du transfert
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
Phase α
xj Phase β
yji
.
Nj
Yji =m*xji
m*<1
m*: paramètre d’équilibre
Phase α
xji
Phase β
.
Nj
Sens du transfert
xj
Sens du transfert
Yji =m*xji
m*>1
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
¾ Diffusion moléculaire : densité de flux
¾ Coefficient de diffusion
-Application au transfert
¾ Transfert dans une phase (régime transitoire, écoulement laminaire)
¾ Transfert dans une phase (régime permanent, écoulement laminaire)
¾ Coefficient de transfert
¾ Transfert entre phases