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Auteur(s)
-
Jean-Léon HOUZELOT : Professeur de Génie de la réaction chimique - Directeur de l’École nationale supérieure des industries chimiques (ENSIC)Institut national polytechnique de Lorraine
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Cet article est la mise à jour du paragraphe 6 de l’article « Réacteurs chimiques. Principes » écrit en 1980 par Jacques VILLERMAUX.
Dans cette dernière partie consacrée aux réacteurs chimiques, nous examinons l’influence de la cinétique physique (transfert de matière et de chaleur) sur le fonctionnement des réacteurs comportant plusieurs phases. Étant donné l’importance industrielle de ce type de réacteurs, chacun d’eux mériterait un traitement détaillé. Les principes généraux exposés dans l’article précédent restent bien entendu applicables. Nous voulons seulement mettre en évidence ci-après le couplage entre réaction chimique et phénomènes de transport. Celui-ci intervient notamment pour modifier l’expression de la vitesse apparente de la réaction qui figure dans les équations caractéristiques des réacteurs.
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2. Réactions fluide-solide non catalytiques
De nombreuses opérations industrielles mettent en jeu des réactions entre un fluide et un solide consommable : grillage des minerais, combustion du charbon, haut-fourneau, four à chaux, lavage et dissolution des cristaux… Nous donnons ci-après quelques modèles de consommation de particules. Le lecteur trouvera des traitements plus complets dans les références [7], [24], [44].
Considérons la réaction :
Le solide B initialement contenu dans une particule, par exemple sphérique, est au contact du fluide A à une température et une concentration données.
2.1 Modèle à cœur rétrécissant
Supposons les particules de forme sphérique, de rayon initial R 0. À mesure que la réaction entre A et B progresse, un front pénètre à l’intérieur du grain et laisse derrière lui une couche de produits solides (ou « cendres ») de même densité apparente que le solide initial. La réaction est supposée isotherme.
Soit X B le taux de conversion de B exprimé en masse, en moles ou en volume (ce qui revient au même dans le cas présent) :
avec :
- nB et nB0 :
- nombre de moles de B à l’instant final et à l’instant initial.
X B s’exprime, en fonction du rayon, par la relation :
d’où
Exprimons la vitesse de réaction comme étant la quantité de B transformée par unité de volume de particules et par unité de temps, cette vitesse étant...
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(d’après l’article de M. VILLERMAUX)
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - JOTTRAND (R.) - Introduction à la théorie des réacteurs chimiques. - Ind. Chim. Belge, 30, p. 119 (1965).
-
(2) - BOUDART (M.) - Kinetics of chemical processes, - Prentice Hall (1968).
-
(3) - DAMKÖHLER (G.) - Einflüsse der Strömung Diffusion und des Wärmeüberganges auf die Leistung von Reaktionsölen I. Allgemeines Gesichtpunkte für die Übertragung eines chemischen Prozesses aus dem Kleinen ins Grosse. - Z. Elektrochem (D), 42, p. 846 (1936).
-
(4) - BARRÉRE (M.), PRUD’HOMME (R.) - * - Équations fondamentales de l’aérothermochimie. Masson (1973).
-
(5) - CALDERBANK (P.H.) - Contact process converter design. - Chem. Eng. Prog. (USA), 49, p. 585 (1953).
-
(6) - CARBERRY (J.J.) - Chemical and catalytic reaction engineering. - McGraw-Hill...
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