COMPORTEMENT DE DEUX LIQUIDES IMMISCIBLES

L’étude du comportement de deux liquides immiscibles dans les maquettes a été réalisée dans le cadre d’une collaboration avec F. Theron dont les travaux de thèse visent à transposer en continu un procédé d’encapsulation par polymérisation interfaciale (Theron et al., 2009). Un seul type de fluide a donc été étudié et il ne s’agit en aucun cas d’une étude exhaustive mais plutôt d’une première approche concernant les écoulements diphasiques dans les canaux ondulés. L’objectif est d’étudier le comportement d’une émulsion dans les maquettes afin d’évaluer l’évolution de la taille des gouttes. Ce paragraphe décrit brièvement le dispositif expérimental associé au banc d’essai et la méthode d’analyse utilisée pour caractériser l’écoulement, les fluides de travail et leurs caractéristiques ainsi que les conditions opératoires.

IV.1.3.1 Dispositif expérimental et analytique

Dans les travaux qui sont présentés ici, les maquettes ne sont destinées qu’au transport de l’émulsion. Contrairement aux caractérisations du mélange et du micromélange, qui ne nécessitaient pas une longueur développée importante, nous avons préféré, pour étudier l’évolution de l’émulsion dans les canaux ondulés, travailler avec les maquettes décrites dans le chapitre II dont la longueur développée totale vaut 3,5 m.

Afin de générer l’émulsion, un banc d’essai supplémentaire a été ajouté au dispositif expérimental existant afin de générer l’émulsion. Il comporte deux bacs de stockage pour chacune des phases et une colonne garnie de mélangeurs statiques SMX (Sulzer) dont le diamètre et la longueur valent respectivement 10 mm et 100 mm (cf. figure IV.11).

Figure IV.11 : Un élément des mélangeurs statiques types SMX (Sulzer)

Les échelles de taille entre les mélangeurs et les canaux (2 mm) étant très différentes, seule une fraction du débit est envoyée vers l’entrée principale de la maquette. L’émulsion peut également être de nouveau diluée dans les canaux en injectant via le circuit secondaire une des deux phases. Chaque banc est équipé de débitmètres, le débit en sortie de maquette étant contrôlé par pesée.

Enfin, l’entrée et la sortie de la maquette sont munies de robinets de prélèvement. Les échantillons sont ensuite analysés par granulométrie laser en voie liquide (Malvern 2000).

IV.1.3.2 Conditions opératoires

Les fluides utilisés pour réaliser l’émulsion sont de l’eau et du cyclohexane stabilisé avec un tensioactif, le Tween 80, à 1,5 % volumique dans la phase aqueuse. Leurs propriétés sont les suivantes :

Cyclohexane Eau + Tween 80 (1,5% v.)

Masse volumique (kg·m3) 770 995

Viscosité (Pa·s) 0,0009 0,001

Tension interfaciale (mN·m-1) 3,0

Tableau IV.4 : Propriétés physico-chimiques des deux phases de l’émulsion.

Le tableau suivant résume les conditions opératoires mises en œuvre pour étudier la stabilité de l’émulsion dans les maquettes. Φcyclo correspond à la fraction volumique en cyclohexane :

Mélangeurs statiques Maquette ‘e’

Fémulsion (L·h-1) Φcyclo (%) Re Fémulsion (L·h-1) Fdiluant (L·h-1) v (m·s -1 ) Re Φcyclo (%) Exp n°1 291,0 25,0 10290 2,6 5,0 0,53 1060 8,6 Exp n°2 167,0 25,0 5900 2,8 0,0 0,19 380 25,0 Exp n°3 167,0 25,0 5900 14,2 0,0 0,99 1980 25,0 Exp n°4 167,0 25,0 5900 1,8 11,8 0,94 1880 3,0 Exp n°5 167,0 25,0 5900 1,0 4,0 0,35 700 5,0

Tableau IV.5 : Conditions opératoires pour l’étude du comportement d’une émulsion eau/cyclohexane dans les maquettes.

Plusieurs débits pour différentes fractions volumiques en phase dispersée ont été testés. Le protocole opératoire pour chaque expérience est le suivant :

1) Préparation de la solution de cyclohexane à 25% volumique ;

2) Mise en route des pompes alimentant les mélangeurs et réglage du débit ; 3) Alimentation de la maquette avec le diluant (eau distillée) pour prérégler le débit ; 4) Déviation d’une fraction du flux d’émulsion vers la maquette (vanne 3 voies) ; 5) Ajustement et vérification du débit total dans la maquette par pesée ;

6) En régime permanent, prélèvements en entrée et en sortie de maquette d’un échantillon d’émulsion ;

7) Analyse par granulométrie laser. IV.1.3.3 Résultats expérimentaux

Avant de mettre en œuvre la réaction d’encapsulation dans les maquettes, il est nécessaire de s’assurer des conditions de transport de l’émulsion générée dans les mélangeurs statiques. La coalescence des gouttes de cyclohexane pourrait, en effet, conduire à un bouchage des canaux lors de la polymérisation. Les résultats présentés ici ne traitent que du transport de l’émulsion, le reste étant détaillé dans l’article de Theron et al. (2009) ainsi que dans ses travaux de thèse (2009).

La mesure de la granulométrie des échantillons prélevés en amont et en aval des maquettes permet de comparer la taille des gouttes de cyclohexane en sortie des mélangeurs statiques

et après avoir circulé dans les canaux ondulés. La figure IV.12 représente les courbes caractéristiques après analyse granulométrique pour les expériences n°3 et 4.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 10 100 1000 10000 Tailles (µm) % v o l. Entrée Sortie 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 10 100 1000 10000 Tailles (µm) % v o l. Entrée Sortie

Figure IV.12 : Comparaison des résultats de granulométrie entre l’entrée et la sortie de la maquette ‘e’ pour les expériences n°3 (à gauche) et n°4 (à droit e).

Quelle que soit la fraction volumique en cyclohexane, les courbes en entrée et sortie de maquette sont pratiquement superposées. Les maquettes ne perturbent donc pas l’écoulement diphasique et l’émulsion. Ce résultat est encourageant pour envisager la mise en œuvre de réactions liquide/liquide, et en particulier la réaction de polymérisation par encapsulation interfaciale en continu, le diamètre des capsules étant fixé avant l’entrée dans l’échangeur/réacteur par les mélangeurs statiques. Afin de compléter l’information fournie par les graphes, le tableau IV.6 donne les diamètres de Sauter en entrée et en sortie pour chaque expérience. d3 2 (µm) Entrée Sortie Exp. n°1 7,5 7,5 Exp. n°2 22,1 22,0 Exp. n°3 20,2 19,5 Exp. n°4 13,6 13,1 Exp. n°5 14,0 14,0

Tableau IV.6 : Diamètres de Sauter déterminés par granulométrie pour chaque expérience.

Quelles que soient les conditions expérimentales (taille des gouttes et concentrations en phase dispersée dans les émulsions), les diamètres de Sauter sont conservés entre l’entrée et la sortie de la maquette.

Ces expériences, visant à étudier le comportement d’un milieu diphasique liquide/liquide dans les canaux ondulés, ne constituent qu’une première approche, prometteuse, et ont été menées pour un système donné (eau/cyclohexane + tween 80) relativement stable. Les perspectives d’étude des milieux diphasiques sont nombreuses et variées mais surtout nécessaires pour envisager l’utilisation industrielle de ce type de technologie. Dans cette optique, deux post-doctorats sont en cours dans l’équipe ‘intensification’ du LGC. L’un porte sur la mise en œuvre de réactions exothermiques diphasiques (liquide/liquide) et l’autre sur la caractérisation des maquettes en milieu diphasique gaz/liquide.