CARACTÉRISATION DES SYSTÈMES MULTIPHASIQUES

La mesure simultanée de la fraction de solides et de la composition chimique de la phase gazeuse est importante afin de caractériser les lits fluidisés gaz/solides. Or elle l’est également pour plusieurs autres types de systèmes. Les procédés multiphasiques sont répandus dans plusieurs industries: pétrochimique, chimique, pharmaceutique, alimentaire, pâte et papier, etc. Ils sont également présents dans l’ensemble de la chaîne de production: génération d’énergie (chambres à combustion), les procédés de transformation (gazéifieurs, réacteurs chimiques, mélangeurs et sécheurs), les procédés de purification/séparation (cyclones et précipitateurs), l’évacuation de déchets (cheminés), etc. La caractérisation des ces systèmes par la mesure de la composition chimique et la fraction de solides est critique à des fins de contrôle, d’optimisation et de dépannage dans les laboratoires et les industries. Ces mesures sont également essentielles pour le développement de modèles hydrodynamiques (gaz/solide/liquide) et de cinétique de réaction. Présentement, la composition et la fraction de solides sont mesurées par deux techniques distinctes.

Plusieurs techniques invasives et non-invasives de mesures ont été développées afin de mesurer la fraction de solides dans les systèmes di- et tri-phasiques. Les techniques invasives nécessitent l’introduction d’une sonde pour mesurer localement la capacité (Werther et Molerus 1972, Yates et Simons 1994, Hage et Werther 1997), la conductivité (Begovich et Watson 1978, Uribe-Salas et Gomez 1994, Liu et al. 2007), la fluorescence (Huizenga et al. 1998) ou la diffusion d’un rayon lumineux dans le milieu (Yates et Simons 1994, Cutolo et al. 1990, Ishida et Tanaka 1982, Hu et al. 1986, Esmaeili et al. 2008). La fraction de solides est dérivée de la mesure qui peut être effectuée in situ et en temps réel. Dans les systèmes liquide/solide ou gaz/liquide/solide, la phase coulis peut être également échantillonnée par l’entremise de sondes spéciales afin de mesurer la fraction volumique de liquide et solide (Huizenga et al. 1998, Gandhi et al. 1999). Les techniques non-invasives incluent la tomographie (Chaouki et al. 1997, Pugsley et al. 2003, Marashdeh et al. 2008, Razzak et al. 2009), la densitométrie (Esmaeili et al. 2008) et l’analyse de

la distorsion d’ondes ultrasoniques (Uchida et al. 1989). Ces techniques produisent des cartes de fraction de solides moyennées dans le temps ou l’espace avec une résolution variable.

La mesure de la composition chimique dans les phases gazeuse, liquide et solide peut être effectuée en continu ou de manière intermittente (Gandhi et al. 1999) à l’aide d’instruments analytiques (chromatographe, spectromètre, etc) et peut nécessiter l’arrêt du procédé (Luypaert et al. 2007, Swarbrick 2007). L’échantillonnage peut présenter plusieurs désavantages: perte de production suite à un arrêt, perturbation du système en raison de l’introduction de la sonde (l’erreur de mesure peut être de l’ordre de 5% à 100%), destruction de l’échantillon et perte du produit (Luypaert et al. 2007, Swarbrick 2007). Dans le contexte du « process analytical technology » (PAT) de la « U.S. Food and Drug Administration » (FDA), plusieurs publications présentent le développement d’application en spectroscopie infrarouge permettant la mesure de la composition chimique dans les systèmes multiphasiques (Armaroli et al. 2004, Kondo et al. 2007). Des techniques similaires ont également été mises au point afin de caractériser les réactions se produisant à la surface de catalyseurs solides (Corveleyn et al. 1997, Rantanen et al. 2000a). Ces applications fonctionnent en mode transmission ou réflexion diffuse (à la surface des solides) et peuvent mesurer la composition chimiques dans la phase dispersée (particules solides et gouttelettes liquides) et la phase continue (liquide ou gazeuse) (Rantanen et al. 2000, Cogdill et al. 2005, Triadaphillou et al. 2007, Andersson et al. 1999, Kirsch et Drennen 1995). La spectroscopie infrarouge présente l’avantage d’effectuer des mesures in situ et en temps réel par l’entremise d’une sonde à fibres optiques.

Une technique de mesure permettant la mesure simultanée de la composition chimique et la fraction de solides présenterait de nombreux avantages. Premièrement, la mesure de ces deux paramètres nécessiterait un seul instrument comparativement à deux, ce qui réduirait potentiellement la complexité de la mesure et le coût des équipements. Deuxièmement, une telle méthode offrirait beaucoup plus d’information sur le procédé puisque la fraction de solides et la composition chimique sont dépendantes. En effet, ceux deux paramètres sont liés par la cinétique de réaction et l’hydrodynamique. Les particules solides influencent les réactions au moyen d’effets inhibitifs et/ou catalytiques et également par le biais du bilan calorifique. De plus, au

niveau de l’hydrodynamique, les systèmes multiphasiques sont souvent composés de différentes régions caractérisées par une fraction de solides distinctes. La mesure de la composition chimique dans ses régions est fondamentale à la description d’un procédé. Par exemple, les lits fluidisés gaz/solide à bulles et turbulents possèdent une phase dense (émulsion) et une phase diluée (bulle). Les bulles causent un court-circuit des réactifs qui réduit le rendement d’un procédé. La mesure simultanée de la fraction de solide et la composition chimique dans la phase gazeuse permettraient de déterminer la composition dans la phase dense et diluée. Ce type de mesure peut difficilement être effectué à l’aide des techniques existantes.

La spectroscopie infrarouge présente un potentiel important pour la mesure simultanée de fraction de solides et de la composition chimique de la phase gazeuse. Les applications de spectroscopie infrarouge actuelles sont affectées par la phase solide. La fraction de solides et la taille des particules affectent l’interaction entre la lumière et le système en influençant sur la longueur du trajet d’absorption et la taille d’échantillon (Corveleyn et al. 1997, Cogdill et al. 2005). En effet, une augmentation de la taille des particules diminue l’intensité de lumière diffuse et accroît le trajet d’absorption du rayon lumineux produisant une augmentation de l’absorbance et un déplacement de la ligne de base en mode réflexion diffuse (Cogdill et al. 2005). Conséquemment, les techniques actuelles de spectroscopie infrarouge utilisées dans les systèmes multiphasiques nécessitent que l’échantillon soit uniforme dans le temps (d’une mesure à l’autre). Ceci est réalisé concrètement en effectuant des mesures dans des systèmes immobiles comme les comprimés pharmaceutiques (Andersson et al. 1999, Kirsch et Drennen 1996, Abrahamsson et al. 2005, Hailey et al. 1996, Sonja Sekulic et al. 1998). Pour les systèmes multiphasiques où la phase solide est en mouvement (lits fluidisés et mélangeurs, par exemple), les mesures nécessitent un arrêt du procédé (Sonja Sekulic et al. 1996, Frake et al. 1997), la synchronisation de l’acquisition du spectre avec une position spécifique de la cuve (Bellamy et al. 2008) ou la mesure dans les régions de faible porosité (Cui et al. 2001). Des mesures de porosité ont également été effectuées dans des mélangeurs symétriques afin d’assurer l’uniformité de la fraction de solides une fois le système parfaitement mélangé (De Paepe et al. 1997). Finalement, le traitement mathématique des spectres mesurés est souvent utilisé afin de minimiser les effets du déplacement de la ligne de base causé par le mouvement des solides (Cogdill et al. 2005). Toutefois, les systèmes multiphasiques sont généralement

caractérisés par des fractions de solides qui varient dans le temps et l’espace. Par conséquent, la mesure in situ et en temps réel de la composition chimique dans les différentes régions du système nécessite la détermination simultanée de la fraction de solides. Le taille d’échantillon peut être indépendant des propriétés des particules si les fibres optiques émettrices et réceptrices sont inclinées l’une vers l’autre (Berntsson et al. 2001). Ce principe peut être utilisé sur une fibre optique infrarouge pour mesurer la composition chimique.

Dans les systèmes multiphasiques, le mouvement des particules solides rend les mesures spectroscopiques et leurs interprétations plus complexes. La mesure d’absorbance est influencée par les variations de fractions de solides et la distance moyenne entre l’échantillon et la sonde. Lorsque les échantillons sont en mouvement, les régions du spectre peuvent être influencées différemment par les hétérogénéités locales. L’effet du mouvement de particules sur la spectroscopie par transformée de Fourier a été étudié par De Paepe et al. (1997), Berntsson et al. (2001) and Andersson et al. (2005). Il a été démontré que le mouvement des solides produit du bruit dans le spectre mesuré à certains nombres d’ondes qui dépendent de l’échelle de temps du balayage spectral comparativement à la vitesse des particules. Le nombre d’onde auquel le bruit apparaît augmente en fonction de l’accroissement de la fréquence de modulation. Ainsi, l’effet des solides peut être complètement éliminé aux nombres d’ondes d’intérêts si la fréquence de modulation est suffisamment élevée.