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Opération Unitaire Centrifugation FSTT – LST – GP – azaarkhalid.wordpress.com 1

Opération Unitaire Centrifugation FSTT – LST – GP – azaarkhalid.wordpress.com 1 Centrifugation Généralités 1. Décantation et filtration centrifuges Le principe de ces deux types de centrifugation est illustré par la fig. 1. Dans la décantation (ou sédimentation) centrifuge, la séparation des phases est due à la différence de densité des constituants soumis au champ centrifuge, La décantation centrifuge obéit à des lois analogues à celles de la décantation statique, appelée aussi décantation gravitaire. Cependant. le champ de la pesanteur est remplacé par un champ de forces beaucoup plus intenses, ce -qui permet de réduire la durée de la séparation, le volume des appareils, et d'augmenter le rendement de l'opération. La décantation centrifuge sera ainsi avantageusement préférée à la décantation statique: - Lorsqu’on souhaite arrêter ou limiter une transformation physico-chimique ou biologique dans l'une ou plusieurs des phases en présence, - lorsqu'on cherche à réaliser une installation compacte, - lorsque la faible vitesse de sédimentation de la phase solide conduirait à des décanteurs statiques de volume excessif, - lorsque la séparation implique le respect de conditions de température ou de pression très strictes ou lorsque les produits traités possèdent un coût élevé. En revanche, on s'orientera vers la décantation statique lorsqu'il s'agira de traiter des débits importants (plusieurs centaines ou milliers de m3/h) de liquides contenant de faibles quantités de solides à vitesse de sédimentation élevée. Mais les deux techniques peuvent aussi être complémentaires: on pourra par exemple effectuer une première séparation par décantation statique et traiter par centrifugation la phase épaisse ainsi obtenue. Opération Unitaire Centrifugation FSTT – LST – GP – azaarkhalid.wordpress.com 2 Pour que la décantation centrifuge industrielle soit efficace, les mélanges à traiter doivent remplir certaines conditions et, en particulier : - les masses volumiques des phases à séparer doivent différer d'au moins 2 % et si possible, de plus de 10%; - la viscosité cinématique des phases liquides doit être inférieure à 150 cSt, soit 1,5.10-4 m2/s; - le diamètre des particules de la phase dispersée doit être supérieur à 0,5 m µ ; il en résulte que les émulsions colloïdales ne peuvent être séparées par les centrifugeuses industrielles. Comme en décantation statique, la vitesse de sédimentation peut être accélérée par l'utilisation de la technique de floculation qui, grâce à l'adjonction d'un produit tensioactif, permet la formation d'agglomérats (ou flocs). Dans la filtration (ou essorage) centrifuge, la séparation des constituants s'effectue par le passage de la phase liquide (ou des phases liquides) au travers d'un élément filtrant sous l'action d'un champ centrifuge. Cet élément filtrant, fixé contre la paroi interne du rotor, est le support sur lequel viennent se déposer les particules solides constituant ainsi une couche perméable appelée gâteau. Il s'agit donc d'une filtration sur support dans laquelle la pression de filtration est celle exercée par un anneau liquide en rotation. En règle générale, l'essorage centrifuge utilisé comme technique de séchage de produits solides dispersés dans une phase liquide permet, grâce aux pressions élevées qu'il met en jeu, d'obtenir des solides plus secs que les filtres à vide ou sous pression, tout en permettant un éventuel lavage du gâteau avant son déchargement. L'essorage centrifuge, opération de filtration sur support, exige que les particules solides déposées contre la paroi du rotor en couche plus ou moins épaisse conservent, dans les conditions de pression développée par la centrifugeuse, une perméabilité suffisante. En pratique, le diamètre minimal des particules pouvant être traitées se situe autour de 5 m µ Pour certains constituants, la perméabilité du gâteau de particules diminue lorsque la pression développée dans le panier de l'essoreuse augmente et cette technique de filtration peut être, dans des cas limites, mal adaptée. Opération Unitaire Centrifugation FSTT – LST – GP – azaarkhalid.wordpress.com 3 2. Principales opérations et domaines d’application Un grand nombre d'opérations de séparation mécanique peuvent être effectuée par centrifugation, chacune relevant d'un' ou plusieurs modèles de centrifugeuses. Parmi les plus courantes, on peut citer les opérations ci-après : 2.1. Clarification : cette opération consiste à enlever une phase solide d'une phase liquide. On cherche : a) - soit à récupérer la phase liquide seule (aussi pure que possible) lorsque le solide, souvent en faible proportion, constitue une impureté, exemple : Exemples: - épuration des eaux résiduaires urbaines ou industrielles (industrie du charbon, tannerie, papeterie. imprimerie); en général, on ne traite par centrifugation qu'une partie des eaux, après une décantation statique préalable; - clarification des eaux de distillerie; - clarification des jus de fruits, - clarification des huiles minérales; - clarification des laques et des vernis; b) - soit à récupérer la phase solide seule, opération que certains nomment extraction, mais qu'il ne faut pas confondre avec l'opération de transfert de matière Génie chimique). Exemples: - décantation des suspensions de polymères ou copolymères de la chimie organique; - récupération des vitamines, des métaux; - clarification des produits minéraux (sels de cadmium, baryum, alumine). c) – soit à récupérer à la fois la phase solide et la phase liquide aussi parfaitement séparées que possible. Exemple : - clarification des huiles de presse (mais, olive, palme, soja, cacahuètes) ; - clarification du jus de presse de poisson. Opération Unitaire Centrifugation FSTT – LST – GP – azaarkhalid.wordpress.com 4 2.2. Séparation de deux phases liquides de densités différentes, l’une et l’autre pouvant être récupérées. Exemple : - Déshydratation des huiles minérales, des goudrons - Séparation des latex, des hématies du plasma sanguin (traitement du sang frais) ; - Ecrémage du lait. 2.3. Clarification et séparation combinées, la phase solide constituant le plus fréquemment une impureté. Exemples: - purification des huiles de moteurs; - épuration des fuels. Classification de particules solides de tailles différentes en suspension dans un liquide, Exemples: - traitement des boues de forage pétrolier; - classification du kaolin, de l'oxyde de titane; - classification des pigments de peinture. Concentration ou épaississage d'une phase solide en suspension. Exemple : concentration des matières protéiques, des levures, du lait d’amidon. Essorage ou séchage de produits solides par élimination du liquide dans lequel ils sont en suspension. Exemples: - essorage des fines de charbon et de schlamms (contenus dans les eaux de lavage); - essorage du sel marin, de produits cristallins ou amorphes des industries chimiques minérales ou organiques, pharmaceutiques, etc.; - essorage de l'amidon, de la fécule; - essorage des textiles. Lavage ou clairçage de produits solides après élimination d'un liquide mère, Exemples: - lavage des produits cristallins des industries chimiques et pharmaceutiques; - essorage et clairçage du sucre. Opération Unitaire Centrifugation FSTT – LST – GP – azaarkhalid.wordpress.com 5 3. Décantation centrifugeuse 3.1. Décantation en régime laminaire Considérons une particule p en suspension dans un liquide alimenté en continu dans le bol en rotation d’une centrifugeusefig.2 : p : position de la particule h : hauteur intérieure du bol r : distance de la particule à l’axe de rotation r0 : rayon intérieur du bol Rs : rayon du seuil de débordement v c v : vitesse de décantation centrifuge (m/s) v l v : vitesse d’écoulement du fluide z : distance de la particule au fond du bol ω : vitesse de rotation (rad/s) Hyp. : On néglige la force gravitaire, on a : F F F R A c dt du m − − = (1) avec F c = Force centrifuge = r mω 2 F A = Poussée d’Archimède = r mlω 2 ρ ρ ω ρ ρ π l s A c r d F F − = ∆ ⋅ ⋅ ∆ ⋅ = − avec 6 2 3 Et u S F x l R c 2 2 1 frottement de force ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = = ρ Remarque : la particule peut être assimilée à une sphère de diamètre d et c dépend du régime d’écoulement. Le dépouillement de l’équation (1) donne une équation similaire de STOCKES, r dt dr d uc ⋅ ⋅ ∆ ⋅ ⋅ = = ω ρ η 2 2 18 (2) S’il n’y’ a que champ de pesanteur on aura : g d us ⋅ ∆ ⋅ ⋅ = ρ η 18 2 d’où : g effet ou centrifuge effet 2 = = ⋅ = K g r w u u s c si l’on exprime la vitesse de rotation « N » en min tours , on a : Opération Unitaire Centrifugation FSTT – LST – GP – azaarkhalid.wordpress.com 6 quelconque machine une d' g nombre 1800 2 2 60 2 = ⋅ = ⋅ =       N N d g r K π Remarque : la surface du liquide en révolution est un paraboloïde de révolution. En Régime laminaire le temps de la particule est : D’après (2) on a : dt r dr d ⋅ ∆ ⋅ ⋅ ⋅ = ρ η ω 18 2 2 ( ) r dr l s d ⋅ − ⋅ ⋅ = ⇒ ρ ρ ω η 2 2 18 dt ( ) ( ) ρ ρ ω ρ ρ ω η η l s s l s d R R d Log uploads/Industriel/ centrifugation.pdf