Moncef STAMBOULI

Le couplage transfert de matière-réaction chimique est au cœur des processus mis en œuvre en extraction liquide-liquide, qualifiée à juste titre d'extraction réactive. Ce couplage est mis à profit dans les applications industrielles, notamment dans l'industrie nucléaire. En effet, le transfert de matière entre deux phases avec réaction chimique dans une des phases joue un rôle considérable dans les opérations d'absorption gaz-liquide, ainsi qu'en hydrométallurgie. En règle générale, la contribution de la réaction chimique se traduit par une accélération du transfert de matière, avec action directe sur le facteur potentiel et dans certains cas également sur le coefficient de transfert.

L'étude de la cinétique du transfert de matière, et particulièrement celle du transfert à l'interface de deux phases, est une branche du génie chimique, qui interfère volontiers avec la mécanique des fluides et la thermique. Cet article débute par la présentation du transfert de matière au sein d’une seule phase, en détaillant notamment les notions de diffusion moléculaire, diffusion stationnaire et turbulente. Ensuite, la théorie autour du transfert de matière entre deux phases est exposée, avec un tour d’horizon de tous les modèles classiques existants (synthétique, de la couche limite, de la pénétration…) apportant ainsi l’explication d’un grand nombre de résultats expérimentaux. L’exemple du transfert entre une goutte et un milieu continu permet d’élargir aux cas très fréquents, où le volume d’une des phases ne peut être considéré comme infini.

Dans un appareil échangeur de matière, les phases d’un étage réel ne sont pas en équilibre. De plus, la connaissance de données sur la cinétique du transfert de matière entre ces deux phases ne suffit pas pour estimer l’écart entre étages réels et idéaux. La modélisation de l’écoulement est donc nécessaire afin d’exploiter au mieux les données cinétiques. Le calcul des opérations non idéales reprend ainsi les mêmes bilans matière que dans le cas des opérations idéales (bilan global, bilan opératoire) en y ajoutant un bilan particulier qui prend en compte la connaissance des écoulements (ou de leurs hypothèses) dans l’appareil. Établi sur une des phases, sur un intervalle de temps et une surface d’échange où le flux de matière est uniforme, ce dernier exprime la variation de flux du constituant privilégié qui transite d’une phase à l’autre.

Dans un appareil échangeur de matière à contact permanent, le transfert de matière entre les deux phases (liquides, gaz, vapeurs) s’effectue par contact, mais en absence d’étages matérialisés. Il est alors recherché une surface de contact la plus élevée possible, afin d’augmenter la capacité d’échange. Pour y parvenir, plusieurs techniques existent, citons celle du remplissage du contacteur par un garnissage ou le maintien de la dispersion d'une phase dans l'autre par pulsation ou agitation, ou encore l’installation d’une différence de potentiel entre les deux phases. Cet article présente des modèles permettant de dimensionner un certain nombre d’appareils industriels (colonnes à contact à courants parallèles ou à contre-courant.