Conception des unités à contre-courant

Une des difficultés majeures dans la conception d’une colonne d’extraction liquide-liquide réside dans la grande variété de géométrie, qui résulte d’une hydrodynamique complexe. Ainsi les performances d’un tel système dépendent fortement du comportement hydrodynamique des fluides. Laddha a suggéré une méthode de calcul permettant d’estimer le coefficient de diffusion axiale dans la phase continue. Dans ses travaux, il a montré que la taille des gouttes intervient directement dans le mécanisme de rétromélange qui est plus faible dans la phase continue que dans la phase dispersée. La géométrie de l’appareil peut modifier certains paramètres comme le nombre de Peclet (Pe) qui est fonction du nombre de Reynolds (Re) du rotor tournant dans une phase liquide.

1.5.1. Principe des colonnes pulsées

Van Dijck est le premier à déposer un brevet sur les colonnes pulsées en 1935 [Vand Dijck et al, 1935].

Les deux méthodes principales permettant de mettre en mouvement et en mélange des solutions liquides dans une colonne d’extraction sont:

- l’emploi de plateaux perforés en oscillation verticale entraînant un mouvement des liquides - les liquides (phases) sont pulsés par un mécanisme extérieur en maintenant les plateaux perforés fixes (dans notre cas d’étude).

Les colonnes pulsées comportent une alimentation de la phase lourde et une sortie de la phase légère en haut de la colonne, tandis que la sortie de la phase lourde et l’alimentation de la phase légère se font au bas de la colonne. La différence de densité assure la circulation sous l’effet de la force de la gravité entraînant ainsi une montée de la phase légère et une descente de la phase lourde. Les effets de la pulsation et le type de plateau (perforation) utilisé présentent de nombreux avantages sur le transfert de matière. Ils permettent d’augmenter le temps de mise en contact, créent des turbulences au sein de l’écoulement et favorisent la fragmentation des gouttes dans un processus d’extraction liquide-liquide.

La méthode utilisée pour calculer les différents paramètres caractéristiques de ces types de colonne est semblable à celle utilisée dans le cas des colonnes à gouttes. Néanmoins, les effets de rétromélange seront plus faibles tandis que la fréquence des périodes de coalescence, de fragmentation et de reformation des gouttes auront une influence favorable sur les coefficients de transfert de matière [Trambouze, P. et al., 1984]. Les travaux de Blass et al ont confirmé que l’efficacité des plateaux perforés dépend fortement de la valeur du nombre adimensionnel de Weber [Blass et al, 1986].

Les colonnes pulsées présentent de nombreux avantages du point de vue du transfert de matière. Les études menées sur l’hydrodynamique des colonnes pulsées ont comme objectif principal de contribuer à l’optimisation du couple plateau/pulsation. Certains auteurs ont établi des modèles permettant de décrire le fonctionnement de la colonne pulsée jusqu’au point d’engorgement. La phase dispersée a été décrite comme une population de gouttes de tailles différentes. Cependant, d’autres études ont été faites dans ce même volet sans tenir compte des phénomènes principaux de rupture et de coalescence qui contrôlent la distribution des tailles de gouttes en faisant l’hypothèse que la distribution est constante.

Les innovations récentes portent sur les installations, la chimie des extracteurs, et l'utilisation d'un champ externe. Les équipements, conçus pour des produits à faible valeur exigeant un nombre d'étages élevé, ont subi une évolution liée à la variété des produits extraits et à l’optimisation des coûts d’extraction ainsi voit on l'apparition d’appareils plus compacts, à

mélangeurs décanteurs des colonnes pulsées de grand diamètre dans le domaine de l’industrie.

Dans une colonne pulsée d’extraction liquide-liquide, les mouvements turbulents des liquides augmentent lorsqu’on applique des pulsations auxquelles s’ajoutent les débits normaux de chaque phase. Ces pulsations couramment employées correspondent à des fréquences variant entre 0.15 et 2.5 s-1 et des amplitudes comprises entre 0,01 et 0,06 m ce qui correspond à des vitesses instantanées maximales de l’ordre du m.s-1. Cette méthode d’extraction présente les avantages et les inconvénients mentionnés dans le tableau 2 suivant:

Avantages Inconvénients

- augmentation de l’aire de contact entre la phase à extraire et celle du solvant (Haute efficacité)

- possibilité de prolonger le temps de séjour des gouttes sans augmenter la taille de l’appareil (oscillation des phases engendrée par la pulsation mécanique)

- des paramètres opératoires modulables - la possibilité de traiter des fluides contenant de fines particules solides

- la diminution des débits par l’accroissement de la résistance à l’écoulement due à l’augmentation de la pulsation

- la diminution de l’efficacité de l’appareil par un volume de holdup trop important qui peut gêner le fonctionnement du contre courant de l’appareil

- les pulsations du fluide ont pour effet de favoriser la formation d’émulsion stable au cours du temps (engorgement de la colonne).

Tableau 2 : avantages et inconvénients de l’emploi de colonne pulsée

1.5.2. Principe des colonnes à mécanisme rotatif

Ce type de colonnes regroupe à la fois, la colonne à disques tournants, la colonne de Kühni similaire à celle de Scheibel, la colonne Oldshue-Rushton semblable à la colonne à disques rotatifs, l’extracteur centrifuge ainsi que les colonnes à compartiments agités.

Dans le cas de la colonne de Kühni, des disques perforés horizontaux séparent les compartiments qui sont agités mécaniquement par des turbines centrifuges à doubles flasques.

Dans le cas des colonnes à disques rotatifs, les compartiments sont partiellement séparés par des disques annulaires. Des rotors montés sur un même arbre vertical créent le phénomène de

dispersion de phase tandis que le dispositif stator permet d’assurer le fonctionnement à contre- courant. Ce type de colonne est en général utilisé dans le domaine de l’industrie pétrolière depuis les années 1950 par la société Shell.