Dispositif de transfert d’énergie entre phase : Les plateaux perforés avec

mécanique

- Les plateaux en polytétrafluoroéthylène (PTFE), matériau chimiquement inerte, est caractérisé par sa faible énergie de surface (peu mouillable) et un coefficient de frottement vis-à-vis des phases liquides compris entre 0.05 et 0.2.

Les plateaux perforés, pulsés par un système mécanique assurent le transfert d’énergie avec la dispersion de la phase légère dans la phase lourde. Les perforations des plateaux (3 mm de diamètre) et de leur ajustement vis-à-vis du cylindre de la colonne évitent le passage en filet de la phase légère le long de la colonne.

La rupture des gouttes c’est-à-dire la formation de l’émulsion est favorisée par les perforations des plateaux disposés régulièrement le long d’un axe verticale situé à l’intérieur de la colonne. Sous l’effet de la pulsation de l’ensemble du volume liquide, les plateaux perforés immobiles créent des turbulences et un transfert d’énergie au sein de l’écoulement avec fragmentation des gouttes c’est-à-dire l’accroissement de la surface d’échange et une limitation simultanée de leur coalescence.

- Le système de pulsation mécanique comprend un piston communiquant au contenu de la colonne (phases liquides) des pulsations selon une intensité et un indice de pulsation dont les valeurs sont comprises entre 0 et 10. Ces indices correspondent à des vitesses de pulsation qu’on peut déterminer en dénombrant le nombre de pulses pendant une durée donnée. Le produit de la fréquence et de l’amplitude de pulsation représente la vitesse de pulsation dont l’expression est décrite ci-dessus (eq- 2.1)

T A pulse AF =2 eq- 2.1 A : amplitude de la pulsation (m)

T : Temps d’aller retour du piston ou Période (s) AF : vitesse de pulsation (m.s-1)

piston

Amplitude (55 mm)

100 mm 45 mm

Figure 2.4. Photographie du système de pulsation

Le système de pulsation a pour effet de favoriser la dispersion du soluté dans la phase continue car la fragmentation des gouttelettes est liée à ce mécanisme de transfert d’énergie.

La correspondance entre les indices (0 à 6) et les vitesses de pulsation (0.017 ms-1 à 0.099 ms- 1) calculées à partir de l’équation 2.1 est représentée dans le tableau 2.3

Indice (u.a) Pulse (u.a) Temps (s) Fréquence (pulse/s) Amplitude (m) Vitesse de pulsation (ms-1) 0 26 170 0.152 0.055 0.017 1 26 120 0.217 0.055 0.024 2 26 76 0.342 0.055 0.038 3 26 53 0.490 0.055 0.054 4 26 42 0.619 0.055 0.068 5 26 34 0.765 0.055 0.084 6 26 29 0.896 0.055 0.099

Tableau 2.3 : Différentes vitesses de pulsation (0.017 à 0.099 m.s-1) correspondant à des indices de pulsation allant de (0 à 6)

La tension superficielle du système eau / acétate d’éthyle a lieu sur chaque orifice. Il existe une différence de travail d’adhésion entre les deux phases sur chaque orifice donc une différence de transfert d’énergie entre ces deux phases ce qui entraîne la fragmentation de la phase légère

a- Flux montants lors de la pulsation

La modification des vitesses entre la pleine section du plateau (diamètre 38 mm) et les 40 orifices (diamètres 3 mm) est dans un rapport de # 4 (figure 2.5).

plateau

La mesure de la vitesse V+_{entre les}

deux plateaux exprime l’impact de la pulsation sur la vitesse de la phase légère et de la phase lourde

Zone de décantation

Aux orifices des plateaux il y a modification de l’écoulement Montée phase légère associée à la montée de la phase lourde

Figure 2.5 : Flux montants liés à la pulsation

Avant le plateau

- il y a des zones de point d’arrêt (entre deux orifices) elles favorisent la coalescence des gouttes et l’apparition de la zone de décantation.

- il y a des zones de compression du liquide pour l’écoulement diphasique par les orifices avec une discrétisation qui dépend de la viscosité et surtout du travail d’adhésion (phases - substrat) (figure 2.6).

Zone d’expansion et de turbulence Zone de compression Zone d’accumulation de phase dispersée Zone de stagnation (point d’arrêt)

Coalescences des gouttes Zone de dépression

Zone de décantation

Figure 2.6 : Phénomènes ayant lieu lors de l’ascension des phases (lourdes et légères) à

travers les orifices des plateaux.

Après le plateau

- Il y a accélération dans l’orifice puis "expansion" faible mais avec une turbulence liée à la différence de vitesse entre les liquides à la sortie de l’orifice et les liquides situés à la surface supérieure du plateau

- Le maximum de mélangeage a lieu en sortie de plateau entre les gouttes et la phase aqueuse (figure 2.6).

b- Flux descendants lors de la pulsation

Pour les flux descendant (figure 2.7), la modification des vitesses entre la section droite du plateau et les quarante orifices est toujours dans le même rapport de # 4.

La mesure de la vitesse nous donne la valeur des deux flux associés avec toutefois la convection lié à la poussée d’Archimède (différence de densité entre les deux phases)

Les processus liés à l’action de la tension superficielle vis-à-vis des deux liquides ont lieu à partir de la partie supérieure du plateau mais à cause de la différence de densité des phases il n y a pas d’accumulation de phase légère sur la partie supérieure (figure 2.7).

Avant le plateau

- il y a de la phase lourde à la surface supérieure du plateau (au moment de l’inversion des vitesses)

- zone au point d’arrêt entre deux orifices (vitesses des gouttes # 0)

- zone d’écoulement dans les orifices de type diphasique avec fragmentation des gouttes par travail d’adhésion sur les bords de l’orifice (figure 2.8).

Zone de compression

Mélange par turbulence

phase lourde -goutte phase légère Pas d’accumulation de phase

légère à cause du ∆ de densité (∆ρ)

Zone d’accumulation de phase légère

Figure 2.8 : Phénomènes ayant lieu à travers les orifices des plateaux pendant la descente des

phases lourdes et légères.

Après plateau

- turbulence avec reprise de la phase légère stagnante

- le maximum de mélange entre phases à lieu sous le plateau

- dans la zone entre les deux plateaux l’écoulement est laminaire, et le transfert de matière a lieu par diffusion surfacique entre goutte / phase lourde.

- dans la zone sous les plateaux le transfert de matière est convectif à chaque pulse par suite des effets de turbulence (figure 2.8).

Remarque : Les vitesses des phases liées à la pulsation sont d’un ou de deux ordres de grandeur supérieure à la vitesse d’alimentation de la colonne en phase lourde et légère.

2.3. Technique de mesure du transfert d’énergie par analyse d’image de la