Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Dans un appareil échangeur de matière à contact permanent, le transfert de matière entre les deux phases (liquides, gaz, vapeurs) s’effectue par contact, mais en absence d’étages matérialisés. Il est alors recherché une surface de contact la plus élevée possible, afin d’augmenter la capacité d’échange. Pour y parvenir, plusieurs techniques existent, citons celle du remplissage du contacteur par un garnissage ou le maintien de la dispersion d'une phase dans l'autre par pulsation ou agitation, ou encore l’installation d’une différence de potentiel entre les deux phases. Cet article présente des modèles permettant de dimensionner un certain nombre d’appareils industriels (colonnes à contact à courants parallèles ou à contre-courant.
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In a permanent contact mass transfer exchanger, the mass transfer between the two phases (liquids, gases, vapors) is carried out by contact, but in the absence of marked stages. The largest possible contact area is required in order to increase the exchange capacity. Several techniques exist to achieve this, including lining the contactor or maintaining the dispersion of one phase into the other by pulsation or agitation, or even the installation of a potential difference between the two phases. This article presents models for designing a certain number of industrial appliances (column-type counter current or parallel current contact devices).
Auteur(s)
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Arnaud BUCH : Docteur de l'Université Paris VI - Maître de conférences à l'École Centrale Paris
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Mohammed RAKIB : Ingénieur ECP, Docteur d'état ès sciences physiques - Professeur à l'École Centrale Paris
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Moncef STAMBOULI : Ingénieur ECP, Docteur d'état ès sciences physiques - Professeur à l'École Centrale Paris
INTRODUCTION
Un appareil échangeur de matière à contact permanent est constitué pour sa partie active d'un fût cylindrique dans lequel s'opère un transfert de matière entre deux phases sans qu'il y ait d'étages matérialisés dans lesquels ce transfert se déroule. Généralement, les deux phases qui échangent de la matière sont des liquides, des gaz, des vapeurs ou même des solides. L'industrie fait un large emploi de ces échangeurs à contact permanent du fait de leur adaptabilité aux conditions de production et de leur coût beaucoup moins important que le coût d'une installation à étages individualisés.
Le fonctionnement d'un échangeur de matière à contact permanent exige une surface de contact entre les deux phases traitées. Pour plus d'efficacité, la surface de contact des deux phases par unité de volume de contacteur doit être la plus élevée possible. Cela favorise la capacité d'échange entre les deux phases. Pour cela on a recours à plusieurs techniques comme le remplissage du contacteur par un garnissage ou une méthode permettant de maintenir la dispersion d'une phase dans l'autre comme les pulsations ou l'agitation. Parmi les garnissages les plus répandus citons les anneaux de Raschig (anneaux en verre ou en céramique) et les selles de Berl. Une autre condition pour avoir un transfert notable est l'existence d'une différence de potentiel entre les deux phases. C'est ainsi que l'équilibre n'est jamais réalisé dans les appareils à contact permanent. Ou du moins s'il est réalisé en un point de la colonne, le restant de la colonne est inopérant.
Les opérations à contact permanent sont couramment utilisées en absorption, distillation, extraction liquide-liquide, séchage, humidification, chromatographie, échange d'ions.
Le transfert de matière s'accompagne presque toujours d'un transfert d'énergie (ou de chaleur). Nous considérerons uniquement les opérations où le transfert de chaleur est négligeable.
De façon générale, on opère à contre-courant sauf à de très rares exceptions comme par exemple lors de l'absorption d'un gaz pur. Les écoulements ont une importance capitale car ces opérations sont sous contrôle cinétique. Nous allons voir l'application des modèles idéaux simples et des modèles plus sophistiqués au calcul de ces opérations.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1990 par Jean-Paul MOULIN, Dominique PAREAU, Mohamed RAKIB, Moncef STAMBOULI
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Dimensionnement d'une colonne à contact permanent à courants parallèles (modèle piston)4. Conclusion
Pour réaliser l'écoulement à contre-courant des deux phases, il y a des limitations de débit à respecter. L'engorgement se produit lorsque l'un des débits est trop élevé : il est alors impossible d'assurer la circulation des deux phases dans l'échangeur.
Les modèles présentés permettent de dimensionner effectivement un certain nombre d'appareils industriels. La méthode de décomposition en HUT et en NUT permet de calculer simplement les appareils en utilisant les valeurs de HUT déterminées soit par extrapolation à partir d'appareils existants soit par simulation sur une installation pilote soit encore en collectant des données de la bibliographie. La connaissance de l'importance du mélange axial permet de corriger les valeurs de NUT. Une méthode relativement simple est proposée basée sur une solution approchée des équations de cinétique du modèle piston-dispersion. Quant à la forme à donner à l'échangeur de volume V ≥ Z A, elle peut être approchée de la manière suivante :
Si la hauteur Z est faible et donc la section droite importante, on aura des vitesses d'écoulements faibles. D'où des nombres de Peclet faibles. L'appareil est alors proche d'un échangeur parfaitement agité et son efficacité sera proche de celle d'un étage idéal. Si on déforme l'appareil en l'allongeant à volume constant les nombres de Peclet augmentent. L'efficacité de l'appareil augmente et, à la limite, elle est maximale pour le fonctionnement piston. Il en découle une conséquence importante : un échangeur à contre-courant peut avoir une efficacité plus faible quand il fonctionne en sous-capacité. Ce type de variations est bien connu en chromatographie.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DEFIVES (D.), ROJEY (A.) - Transfert de matière, Efficacité des opérations de séparation du génie chimique. - Technip, Paris (1976).
-
(2) - SCHWEITZER (P.A.) - Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers. - McGraw-Hill Professional, NY, 4e édition (1997).
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(3) - KOLEV (N.) - Packed bed columns for absorption, desorption, rectification and direct heat transfer. - Elsevier Science Heidelberg (2006).
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(4) - WAKAO (N.) - Heat and mass transfer in packed beds. - Taylor & Francis, 1re édition (1982).
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(5) - SATER (V.E.), LEVENSPIEL (O.) - Two-phase flow in packed beds. Evaluation of axial dispersion and holdup by moment analysis. - Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 5(1), 86-92 (1966).
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(6) - THERNING (P.), RASMUSON (A.) - Liquid dispersion and gas holdup in packed bubble columns...
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