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[Cahier technique] Plongée dans les opérations polyphasiques

La rédaction
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[Cahier technique] Plongée dans les opérations polyphasiques

Les mélanges et les écoulements comportant plusieurs phases sont omniprésents dans l’industrie, à travers une grande variété de configurations et de technologies. Leur modélisation locale reste complexe, mais des approches globales permettent de concevoir et d’opérer les installations. Un cahier technique réalisé pour Industrie & Technologies par Sabine Rode, professeure à l'Ecole nationale supérieure des industries chimiques (Ensic) et Rainier Hreiz, maître de conférences à l'Ensic.

Les mélanges polyphasiques et leurs écoulements sont répandus dans la nature. Citons à titre d’exemples les précipitations atmosphériques (grêle, neige, pluie), le transport des sédiments dans les rivières, le ruissellement de l’eau dans le sol ou encore la fumée formée lors de la combustion de matières organiques. Beaucoup d’opérations dans l’industrie sont également caractérisées par la présence et l’écoulement simultané de plusieurs phases. Les principales opérations polyphasiques concernent les secteurs manipulant et transformant la matière : chimie, pharmacie, métallurgie, agroalimentaire, environnement, industrie papetière ou raffinage (fig. 1). D’autres secteurs industriels sont aussi concernés. Ainsi, les fours et les chaudières, utilisés dans le secteur de l’énergie, mettent en contact plusieurs phases. La projection de gouttelettes facilitant l’usinage dans le secteur de la mécanique est également une opération polyphasique.

1. Opérations - Séparations et transformations

Dans les secteurs manipulant et transformant la matière, on distingue trois classes d’opérations : les séparations mécaniques, les séparations thermiques et les transformations chimiques ou biochimiques (fig. 1). Le terme « séparations mécaniques » regroupe les opérations qui permettent de séparer, par action mécanique, les phases d’un mélange polyphasique. En décantation et en flottation, la séparation de particules en suspension dans un fluide est effectuée grâce à leur mouvement différentiel dans le champ de gravité. Ce mouvement est généré par la différence entre la masse volumique des particules et celle du fluide dans lequel elles sont suspendues. En filtration, on impose un gradient de pression afin de générer un écoulement à travers un milieu poreux à pores interconnectés. La filtration frontale est réalisée par dépôt de particules solides, soit sur le support poreux, soit au sein du milieu poreux. En filtration tangentielle, seule une fraction du fluide traverse le milieu poreux. La suspension est ainsi concentrée. En cyclonage et en centrifugation, la séparation entre un fluide et des particules en suspension est accélérée par l’action d’un champ de force centrifuge créé par un mouvement rotationnel. Enfin, en lavage des gaz, les particules solides suspendues dans un gaz sont captées par injection et dispersion de gouttelettes de liquide.

On désigne par « séparations thermiques » les opérations dans lesquelles on provoque un changement de phase d’un ou de plusieurs constituants d’un mélange. Les séparations thermiques sont mises en œuvre afin de fractionner des mélanges que l’on ne peut pas séparer par effet mécanique. C’est le cas de mélanges dits homogènes, dans lesquels les composés à séparer sont mélangés au sein d’une même phase, par exemple l’eau et l’éthanol dans les boissons alcoolisées ou les sels inorganiques dissous dans l’eau de mer. Parmi les séparations thermiques, on trouve la distillation, où l’on procède à une condensation partielle ou à une évaporation partielle, mais aussi la cristallisation, où l’on provoque une solidification partielle du mélange. En absorption, certains constituants du mélange sont transférés dans une deuxième phase fluide, non miscible avec le mélange à séparer. En adsorption, des constituants se fixent à la surface d’un solide particulaire microporeux. Enfin, en séchage, on évapore un solvant liquide afin de le séparer d’un solide, dont il ne peut être séparé par effet mécanique. Les séparations thermiques sont, comme les séparations mécaniques, des opérations polyphasiques.

fig. 1. Principales opérations polyphasiques

La transformation chimique de la matière implique aussi fréquemment la présence de plusieurs phases, que ce soit dans le cadre d’une catalyse hétérogène ou du fait de la nature des réactifs et des produits. Il est courant que certains réactifs ou produits forment des phases distinctes. C’est le cas du grillage de minerais en métallurgie extractive, mais aussi des réactions d’hydrogénation et d’oxydation de molécules organiques présentes sous forme liquide. Les réactions biochimiques nécessitent généralement des réacteurs triphasiques, étant donné la présence d’eau liquide et de micro-organismes formant des inclusions solides, et la présence de gaz – oxygène, dioxyde de carbone ou méthane – comme réactif ou produit métabolique.

Vu l’omniprésence des opérations polyphasiques dans l’industrie, le technicien et l’ingénieur de procédés doivent disposer de connaissances méthodologiques leur permettant de cerner les caractéristiques hydrodynamiques des installations et de comprendre les démarches de modélisation et de dimensionnement associées.

2. Distribution des phases - Des configurations variées

Selon la distribution spatiale des phases, on distingue différentes configurations de l’écoulement polyphasique. Dans les écoulements impliquant un fluide et un solide particulaires, les particules peuvent être disposées en lit ou suspendues dans la phase fluide (fig. 2). Lorsque les particules sont disposées en lit fixe, elles reposent sur un support et forment un milieu poreux immobile à pores interconnectés, qui est traversé par le fluide. Lorsque les particules sont suspendues, elles sont portées par le fluide en mouvement et deviennent mobiles. La distribution spatiale des particules peut être uniforme, c’est le cas de la fluidisation particulaire et du transport pneumatique. Elle peut aussi être non uniforme, avec la formation de poches de fluide dépourvues de particules.

fig. 2. Configuration des écoulements fluide-solide divisé

Dans les écoulements impliquant un gaz et un liquide on distingue, selon la distribution des phases, trois configurations (fig. 3). Dans les écoulements séparés, les deux phases ont peu d’interfaces communes. Dans les écoulements dispersés, la phase dispersée forme des inclusions, bulles ou gouttes, dans l’autre phase, qui est continue. Enfin, les écoulements intermittents sont caractérisés par des inclusions de taille et de nature variées.

Parmi les principales technologies de mise en contact d’un gaz et d’un liquide (fig. 4), on distingue celles dans lesquelles la phase liquide est continue et celles dans lesquelles la phase gaz est continue. Dans les technologies à phase liquide continue, colonne à bulles et cuve agitée gaz-liquide, le gaz est dispersé sous forme de bulles. Si la phase gaz est continue, le liquide peut ruisseler à la surface d’un solide immobile, disposé à cet effet. La surface du support solide est inclinée dans une colonne garnie et verticale dans un contacteur à film tombant. Le liquide peut également être dispersé au sein du gaz sous forme de gouttelettes, c’est ce que l’on observe dans les procédés d’atomisation. Du fait de sa structure interne, la colonne à plateaux présente des[…]

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