La centrifugation
La centrifugation est un procédé de séparation des composés d’un mélange en fonction de leur différence de densité en les soumettant à une force centrifuge.
Le mélange à séparer peut être constitué soit de deux phases liquides (émulsion), soit de particules solides en suspension dans un fluide.
L’appareil utilisé est une machine tournante à grande vitesse appelée centrifugeuse. Cette technique fait partie des opérations unitaires de séparation du génie des procédés.
LA CENTRIFUGATION
1.1- Définition
Il s’agit d’une opération unitaire de séparation de particules (solides ou liquides) dispersées dans un liquide grâce à la force centrifuge obtenue par une rotation rapide du bol qui contient le produit.
1.2- principes physiques :
Soumises à la force centrifuge (Fc= m*G), les particules vont être projetées vers la périphérie du bol (si elles sont plus denses ou lourdes que le liquide) ou vers l’axe du bol (si elles sont plus légères que la phase liquide).
Voir la vidéo de westfalia separaor
a)Force centrifuge (Fc)
Fc = m*G
La force centrifuge (Fc) s’applique sur la particule et est proportionnelle à :
- La masse (m) de la particule
- L’accélération (G) de la centrifugeuse ; G = w2 *R
avec w = la vitesse de rotation du bol et R = le rayon du bol
b)Nombre de G (Nb G) :
Pour mesurer l’efficacité d’une centrifugeuse, on compare l’accélération centrifuge (G) avec l’accélération de la gravité (g= 9.81m.s-2)
Nb G=G/ g = G /9.81
Exemple : une centrifugeuse dont le bol mesure 1 m de diamètre et tournant à la vitesse de 4000 tours par minute (419 rad/s) a un nombre de G = 87780 ; l’accélération centrifuge développée par la centrifugeuse est 87780 plus grande que la pesanteur !
1.3- Vitesse de séparation (vs ou vz)
La vitesse de séparation (Vs ou Vz) de la particule sera proportionnelle à :
- D : la différence de densité entre la particule et le liquide
- d : la taille des particules au carré
- w : la vitesse de rotation du bol
- R : le rayon du bol
La vitesse de séparation (Vs) de la particule sera inversement proportionnelle à :
- n : la viscosité du liquide.
L’ensemble de ces paramètres se retrouvent dans la Loi de STOKES
1.4- Débit maximum d’alimentation
Le débit maximum d’alimentation d’une centrifugeuse va dépendre de la vitesse de séparation (loi de STOKES) et de la surface de séparation (surface latérale et des assiettes) de la centrifugeuse.
On peut augmenter le débit de produit à séparer en augmentant la surface de séparation qui correspond à la surface latérale du bol. On rajoute dans le bol des cloisons obliques appelées disques ou assiettes
Débit maximum d’alimentation= Qmax
- Qmax= Vs * S
15- Les paramètres de la centrifugation
• Principaux paramètres concernant le produit
- différence de densité particules-fluides à séparer ;
- taille des particules ;
- viscosité ;
Certaines techniques peuvent être employées pour modifier les caractéristiques du produit (réchauffage, utilisation d’agents floculant, d’ agents mouillants...)
• Principaux paramètres concernant la machine
- force appliquée (vitesse, diamètre du bol...) ;
- surface de la séparation (nombre d’assiettes, diamètre du bol...)
Les centrifugeuses sont utilisées dans beaucoup de domaines : agro-alimentaire, biotechnologie, industrie pharmaceutiques, industries chimiques, pétrolière, traitements des eaux…
Nous nous concentrerons sur les applications alimentaires
-Trois objectifs possibles :
On peut avoir 3 objectifs différents :
- Clarifier un liquide trouble (suspension) comme l’épuration des eaux usées ou la clarification des boissons.
- Séparer les phases légères (huile) et lourdes (eau) d’une émulsion. C’est le cas de l’écrémage du lait.
- Concentrer ou épaissir la phase solide d’une suspension (même principe que la clarification sauf qu’on récupère la phase solide). C’est le cas de la fabrication de pâte fraiche en fromagerie (carré frais) ou de la levurerie.
2.1- La Centrifugeuse clarificatrice
L’objectif est de clarifier un liquide trouble (exemple d’une boisson trouble comme le jus de pommes)
Document Flottweg
- Bilan matière : 1 entrée (jus trouble) + 2 sorties (jus clarifié : bleu + boues marron)
Voir la vidéo :
Cette deuxième vidéo illustre l’auto-débourbage d’une centrifugeuse clarificatrice :
Les particules (appelées sédiments ou bourbes ou boues) sont souvent éliminées en continues par ouverture périodique du bol (système hydraulique qui abaisse le fond du bol amovible pendant 1 à 3 sec.) ; on parle d’appareil auto-débourbeur (self-cleaning)
2.2- La centrifugation séparatrice ou séparateur centrifuge
Le bol est dit clarificateur s’il permet de séparer un solide en suspension dans une phase liquide ; il est dit séparateur s’il permet de séparer deux phases liquides d’une émulsion comme le lait entier qu’on envoi dans une écrémeuse.
Dans ce cas présent, la centrifugeuse doit séparer les deux phases liquides (lourdes et légère) d’une émulsion.
C’est le cas des écrémeuses en laiterie.
L’objectif est d’écrémer le lait c’est-à-dire de récupérer la MG (crème) du lait
L’émulsion (lait entier) alimente l’écrémeuse par l’axe de la centrifugeuse sous l’effet d’une pompe ; sous l’effet de la force centrifuge, la phase lourde (lait écrémé de densité =1.032) est projetée vers la périphérie du bol de la centrifugeuse alors que la phase légère (crème de densité = 0.9) est attirée par le centre de la centrifugeuse.
Bilan matière : 1 entrée (lait entier= bleu foncé)= 2 sorties phase légère (=crème= jaune) + phase lourde (= lait écrémé= bleu clair)
Les assiettes sont des cloisons encore appelées disques qui ont pour rôle d’augmenter la surface de séparation et de faciliter l’obtention d’un régime d’écoulement laminaire.Des perforations sont aménagées dans ces assiettes pour former des canaux de distribution du lait entier. Ces canaux coïncident avec l’interface de séparation entre les phases lourde et légère.
2.3-Centrifugeuse épaississante (ou concentrateur)
Le produit concerné est toujours une suspension comme dans le premier cas de la centrifugeuse clarificatrice, mais ici la phase noble est le sédiment appelé encore concentrât.
L’objectif est de concentrer la phase solide c.à.d. de l’essorer (éliminer de la phase liquide de la phase solide ) ; c’est le cas de l’égouttage du caillé de fromagerie ou de la production de levure.
- Bilan matière : 1 entrée (suspension de levure ou lait caillé)= 2 sorties : phase liquide= eau ou lactosérum) + phase solide concentrée(= levure ou caillé égoutté)
Document Westfalia
2.4-Le décanteur centrifuge horizontal
Les décanteurs sont des machines centrifuges munies d’une vis dont le bol tourne sur un axe horizontal. Ils sont utilisés principalement pour clarifier (décanteur deux phases) des mélanges à forte teneur en sédiments (jusqu’à 60 %).
Des décanteurs trois phases permettent la séparation liquide – liquide – solides.
Leur nombre de g, plus faible, limite leur emploi à des suspensions qui décantent plus facilement.
Application à la production d’huile d’olive :
Les olives réceptionnées dans une trémie sont débarrassées des feuilles puis lavées. La pâte obtenue par broyage est dirigée vers un malaxeur. C’est dans celui-ci qu’a lieu l’extraction de l’huile contenue dans la pulpe d’olive.
Doc. Westfalia
La pâte est séparée ensuite sur un décanteur ( 3 phases)
- Bilan matière :
1 entrée (pâte d’olive )=3 sorties : phase liquide lourde (= eau ) + phase liquide légère (huile) + phase solide dégraissée (= grignon= résidu solide= peau, résidus de pulpe & fragments de noyau )
Portfolio
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