Adsorption - Aspects théoriques : Dossier complet | Techniques de l’Ingénieur

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Adsorption - Aspects théoriques

Auteur(s) : Lian-Ming SUN, Francis MEUNIER, Nicolas BRODU, Marie-Hélène MANERO

Date de publication : 10 déc. 2016

Relu et validé le 14 sept. 2020

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Adsorption - Procédés et applications

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RÉSUMÉ

L’adsorption est une technique de séparation de molécules d’un gaz ou d’un liquide par attraction sur un solide poreux. C’est un phénomène de surface qui fait intervenir des interactions physiques et chimiques. La rétention des molécules a lieu essentiellement sur la surface interne de l’adsorbant. Cette technique est utilisée pour la séparation et la purification de molécules dans des domaines très variés : la pétrochimie, l’agroalimentaire, le traitement des effluents … Cet article présente les bases théoriques de l’adsorption pour le Génie des Procédés : les matériaux utilisés, les équilibres en jeu, les mécanismes de transferts et les comportements dynamiques d’un lit fixe d’adsorbant.

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ABSTRACT

Adsorption – Theoretical aspects

Adsorption is a separation technique: molecules from a gas or a solution are attracted to the surface of a porous solid. It is a surface phenomenon involving physical and chemical interactions. The molecule retention mostly occurs at the internal surface of the adsorbent. This technique is usually used for the separation and purification of gases and solutions in a variety of fields, including petrochemistry, agrifood, water treatment, air pollution control … This article aims to present theoretical basis of adsorption for Process Engineering: current adsorbents, occurring equilibrium, transfer mechanisms and dynamic behaviors of a fixed bed adsorbent.

Auteur(s)

Lian-Ming SUN : Directeur technique Ligne de Produits Standard Plants Air liquide Global E&C Solutions France SA, Champigny-sur-Marne, France
Francis MEUNIER : Professeur émérite au Conservatoire national des arts et métiers - Directeur honoraire de l’IFFI (Institut Français du Froid Industriel), Paris, France
Nicolas BRODU : Maître de Conférences, Université de Rouen-Normandie/INSA-Rouen, Laboratoire de Sécurité des Procédés Chimiques (LSPC), Saint-Étienne-du-Rouvray, France
Marie-Hélène MANERO : Docteur-ingénieur - Professeur des Universités IUT A – Université Paul Sabatier Laboratoire de génie chimique, Université de Toulouse, CNRS, INPT, Toulouse, France

INTRODUCTION

La technologie de séparation par adsorption constitue 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 applications 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 l’élimination de polluants (pesticides, solvants chlorés, composés soufrés, odeurs, COV, métaux lourds...) ;
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. Les performances de séparation dépendent, 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 sont présentées les considérations théoriques des procédés d’adsorption tels que les adsorbants, la modélisation des isothermes d’adsorption, les phénomènes de transfert 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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MOTS-CLÉS

Adsorbant | Courbe de percée | Isotherme | Modélisation

KEYWORDS

adsorbent | breakthrough curve | isotherm | modelling

VERSIONS

Il existe des versions antérieures de cet article :

Version archivée 1 de mars 2003 par Lian-Ming SUN, Francis MEUNIER

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - MERLE (T.), PIC (J.S.), MANERO (M.H.), MATHE (S.), DEBELLEFONTAINE (H.) - Influence of activated carbons on the kinetics and mechanisms of aromatic molecules ozonation. - Catalysis Toda, 151, p. 166-172 (2010).
(2) - BRECK (D.W.) - Zeolite molecular sieves. - Wiley Interscience, New York (1974).
(3) - BRODU (N.), SOCHARD (S.), ANDRIANTSIFERANA (C.), PIC (J.-S.), MANERO (M.-H.) - Fixed-bed adsorption of toluene on high silica zeolites : experiments and mathematical modelling using LDF approximation and a multisite model. - Environmental Technology (2015).
(4) - WAN (Y.), ZHAO - On the controllable soft-templating approach to mesoporous silicates. - Chemical Reviews, 107(7), p. 2821-2860 (2007).
(5) - YAGHI (O.M.), O’KEEFFE (M.), OCKWIG (N.W.), CHAE (H.K.), EDDAOUDI (M.), KIM (J.) - Reticular synthesis and the design of new materials. - Nature, 423, p. 705-714 (2003).

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - ADSORPTION ET ADSORBANTS

1.1 - Adsorption
1.2 - Adsorbants
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2 - ISOTHERMES D’ADSORPTION

2.1 - Isothermes d’adsorption des corps purs
2.2 - Isothermes d’adsorption de mélanges
2.3 - Isothermes d’adsorption pour les surfaces hétérogènes
2.4 - Modèles moléculaires
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3 - TRANSFERTS DANS LES ADSORBANTS

3.1 - Mécanismes de transfert
3.2 - Importance relative des différents transferts
3.3 - Approche simplifiée de LDF
3.4 - Transferts de chaleur
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4 - DYNAMIQUE D’ADSORPTION DANS UN ADSORBEUR

4.1 - Influence des isothermes d’adsorption
4.2 - Effets de la limitation cinétique
4.3 - Effets de la dispersion
4.4 - Effets thermiques
4.5 - Considérations hydrodynamiques dans un lit d’adsorbant
4.6 - Utilisation de lits d’adsorbants pour atténuer des brusques variations de charge
- Quiz d'entraînement

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

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