Transfert de masse



où Qc et Qd sont les débits volumiques de la phase continue et de la phase dispersée respectivement (mL.min-1) et S la section interne du tube en HPFA (cm2).

3.3 Transfert de masse

Dans un écoulement diphasique en gouttes, le transfert de matière entre les phases est un paramètre important. Bercic et al. [12] ont montré que le transfert de masse à travers le film de lubrification entre la paroi et les gouttes est négligeable par rapport au transfert de masse à travers les interfaces des extrémités des gouttes. Burns et al. [13] ont été les premiers à réaliser une analyse quantitative du transfert de masse dans un écoulement diphasique liquide-liquide au sein d’un microcanal. En utilisant une réaction acide-base, ils ont dosé par colorimétrie le transfert de l’acide acétique de la phase kérosène vers la phase aqueuse. L’aire d’échange entre les deux phases se situe principalement aux extrémités des segments aqueux. Cette observation est également confirmée par Harries et al. [14] à l’aide d’un modèle numérique. Ainsi, le temps de transfert de masse d’une substance dans une goutte sphérique vers la phase continue est équivalent au temps de diffusion de cette substance du centre vers l’extrémité de la goutte. Aussi, ce temps de diffusion peut être calculé par la relation suivante :

D d t c diffusion 2 ) 2 (  Equ. 5

109 Une valeur de 10^-9 m².s^-1 est utilisée pour le coefficient de diffusion de l’AA dissous dans l’eau, valeur généralement utilisée pour définir le coefficient de diffusion d’un soluté moléculaire dans un liquide. De plus, les gouttes obtenues sont sphériques avec un diamètre de 750 µm, un temps de diffusion de 70 s peut donc être estimé. En sachant que le temps de réaction (ou temps de séjour) est compris entre 10 et 60 minutes, la diffusion de l’AA de la phase dispersée vers la phase continue n’est donc pas une étape limitante pour la réaction. De plus, lorsque l’AA est transféré dans la phase supercritique, son temps de diffusion dans cette phase est réduit de 1 à 2 ordres de grandeur en raison de la valeur plus élevée du coefficient de diffusion dans la phase supercritique (de l’ordre de 10-7 m².s^-1).

La géométrie de la goutte est aussi un paramètre influent sur le transfert de matière entre les deux phases en question. Il est postulé que plus l’interface spécifique est grande, plus le transfert de masse est efficace. Ainsi pour un milieu donné, des gouttes sphériques sont plus favorables que des « slugs » (segments de liquide sphéréocylindrique) pour le transfert de masse.

4 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons décrit l’outil microfluidique à gouttes nécessaire à la conduite de la polymérisation radicalaire en continu de l’AA dans une phase supercritique. La conception de cet outil totalement nouveau au laboratoire devait respecter un cahier des charges bien défini. Il permet notamment de générer des écoulements segmentés de gouttes de solution aqueuse de monomère portées par une phase continue supercritique contenant l’amorceur de la polymérisation radicalaire. Il est équipé d’une zone de visualisation au niveau de la génération des gouttes et, de par la nature chimique de la surface du réacteur tubulaire, il permet d’éviter le mouillage des gouttes d’eau aux parois. Cet écoulement segmenté est stable en raison du choix des équipements et, selon les débits des différents fluides associés aux dimensions (fixes) du réacteur tubulaire, il est possible d’obtenir des temps de séjour d’une heure au maximum avec la longueur de capillaire utilisée. Cet outil est résistant aux conditions de pression et de température nécessaires à cette synthèse, i.e. jusqu’à 25 MPa et 80 °C. Enfin, il permet d’effectuer des prélèvements sans perturbation de l’écoulement.

Nous avons également montré que des gouttes de solution aqueuse, de taille et de forme contrôlées, sont générées dans le CO2 liquide. Ces gouttes sont de forme sphérique et leur vitesse de glissement aux parois peut être négligée en comparaison de la vitesse de leur écoulement. Par ailleurs, nous avons évalué que l’ordre de grandeur du temps de transfert de la phase aqueuse vers la phase supercritique est négligeable en comparaison du temps total de la réaction.

Dans le chapitre suivant, cet outil est utilisé pour effectuer les réactions de polymérisation envisagées en étudiant l’effet de paramètres tels que la pression, le temps de séjour et la concentration en AA sur les propriétés des polymères obtenus (masse molaire et distribution de masse molaire).

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111 [14] N. Harries, J.R. Burns, D. a. Barrow, C. Ramshaw, A numerical model for segmented

Chapitre 4