Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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Lian-Ming SUN : Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie - Expert, Centre de Recherche Claude Delorme - Air Liquide
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Francis MEUNIER : Professeur au Conservatoire national des arts et métiers (CNAM), - Chaire Froid et Climatisation, - Directeur de l’Institut français du froid industriel (IFFI)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La technologie de séparation par adsorption constitue aujourd’hui une des technologies de séparation les plus importantes, en particulier parmi les technologies qui ne sont pas basées sur l’équilibre vapeur-liquide. Elle est largement utilisée pour la séparation et la purification des gaz et des liquides dans des domaines très variés, allant des industries pétrolières, pétrochimiques et chimiques, aux appli-cations environnementales et pharmaceutiques. Les applications industrielles typiques sont la production des gaz industriels (oxygène, azote, hydrogène), la séparation des hydrocarbures (paraffines linéaires et ramifiés, par exemple), les traitements de l’air, des eaux et des effluents pour élimination de polluants (composés soufrés, odeurs, COV...), le séchage, la production de médicaments, etc.
La séparation par adsorption est basée sur une adsorption sélective (soit thermodynamique soit cinétique) des différents constituants gazeux ou liquides par des adsorbants grâce à des interactions spécifiques entre les surfaces des adsorbants et les molécules adsorbées. Une des caractéristiques essentielles de la technologie d’adsorption réside dans son fonctionnement transitoire et généralement cyclique puisque, après une phase d’adsorption, les adsorbants doivent être régénérés partiellement ou complètement pour une prochaine utilisation. Ce fonctionnement dynamique conduit souvent à une certaine complexité des procédés d’adsorption en terme des équipements, du contrôle des procédés, du dimensionnement et de l’optimisation des procédés. Les performances de séparation dépendent en effet, d’une manière non triviale, non seulement des propriétés thermodynamiques, mais également des propriétés cinétiques et hydrodynamiques.
Les différents aspects des procédés d’adsorption font l’objet de deux articles séparés. Dans le premier article, nous allons présenter les considérations théoriques des procédés d’adsorption, tels que les adsorbants, la modélisation des isothermes d’adsorption, les phénomènes de transport dans les grains d’adsorbant et les comportements dynamiques d’un lit (fixe) d’adsorbant. Les aspects plus pratiques des procédés d’adsorption sont traités dans l’article [J 2 731].
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VERSIONS
- Version courante de déc. 2016 par Lian-Ming SUN, Francis MEUNIER, Nicolas BRODU, Marie-Hélène MANERO
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Adsorption et adsorbants4. Dynamique d’adsorption dans un adsorbeur
Les procédés d’adsorption mettent en œuvre des adsorbeurs dans lesquels le fluide à traiter est en contact avec des adsorbants. Une bonne compréhension des comportements dynamiques de ces adsorbeurs est capitale pour la conception et l’optimisation des procédés d’adsorption. Ces comportements dépendent de manière très complexe des interactions entre le fluide et les adsorbants, définies par les propriétés d’adsorption (thermodynamiques et cinétiques), thermiques et hydrodynamiques. Par conséquent, pour les connaître avec exactitude, on doit avoir recours à des modèles évolués qui ne peuvent être résolus que numériquement. Ici, nous nous contentons de démontrer certains des principaux aspects des réponses dynamiques d’un adsorbeur en analysant les propagations des fronts de concentration et de température dans des cas simples où un seul des différents phénomènes est présent. Dans ces cas simplifiés, on dispose facilement des solutions analytiques en utilisant les théories d’équilibre local et d’écoulement à forme constante.
4.1 Influence des isothermes d’adsorption
Considérons l’écoulement d’un mélange binaire composé d’un constituant adsorbable et d’un fluide porteur inerte dans un lit d’adsorbant dont l’état initial est uniforme. Si la concentration du constituant adsorbable est suffisamment faible, on peut considérer que la vitesse d’écoulement reste constante le long du lit d’adsorbant et l’ensemble du système est isotherme. Par ailleurs, nous supposons qu’il n’y a pas de limitation cinétique ni de dispersion (écoulement dit piston). Dans ces conditions, le bilan de masse pour le constituant adsorbable est donné par :
où
est la porosité totale (espaces intergranulaires + macropores).
La vitesse de propagation du front de concentration du constituant adsorbable est donnée par :
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Dynamique d’adsorption dans un adsorbeur
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BRECK (D.W.) - Zeolite Molecular Sieves - . Wiley Interscience, New York, 1974.
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(2) - KÄRGER (J.), RUTHVEN (D.M.) - Diffusion in Zeolites and Other Microporous Solids - . John Wiley & Sons, Inc., New York, 1992.
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(3) - LEVAN (M.D.), CARTA (G.), CARMEN (M.Y.) - Adsorption and Ion Exchange dans Perry’s Chemical Engineers’ Handbook - . 7th ed. McGraw-Hill, New York, 1997
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(4) - MARSH (H.), HEINTZ (E.A.), RODRIGUEZ-REINOSO (F.) - Introduction to Carbon Technologies - . University of Alicante, Secretriado de Publicaciones, Spain, 1997.
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(5) - RUTHVEN (D.M.) - Principle of Adsorption and Adsorption Processes - . Wiley, New York, 1984.
-
(6) - TIEN (C.) - Adsorption Calculations and Modelling - . Butterworth-Heinemann, Boston, 1994.
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