Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
De nombreuses interactions chimiques et physiques mettent en jeu une phase fluide et une phase solide. Ces phénomènes physiques et/ou chimiques sont rendus possibles par la présence d’une microporosité dans laquelle les transports diffusionnels de la matière ne deviennent plus négligeables devant d’éventuels transferts convectifs. Cet article présente les modèles simplifiés de morphologie de la particule, ainsi que les paramètres de transfert associés. Sont ensuite exposées les données thermodynamiques et cinétiques des trois types d’interactions couramment établies.
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Auteur(s)
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André ZOULALIAN : Professeur à l’université Henri-Poincaré (Nancy I) - Docteur ès sciences - Docteur-ingénieur ENSIC (École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy)
INTRODUCTION
De nombreux phénomènes physiques et/ou chimiques se déroulent au sein de milieux solides poreux naturels ou synthétiques. La morphologie de ces milieux n’est pas nécessairement structurée et l’analyse des interactions nécessite d’imaginer une simplification de la texture. Cette représentation simplifiée n’empêche pas l’obtention de résultats globaux cohérents permettant l’optimisation, l’automatisation et l’extrapolation des procédés industriels à base de ces interactions.L’objectif de cette étude est de présenter au lecteur, au niveau d’une particule solide, l’analyse globale d’une interaction se déroulant au sein de la particule dans l’un des trois cas suivants :
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l’interaction est une adsorption physique (dossier Particules poreuses interactives- Interactions physiques d’adsorption) ;
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l’interaction est une réaction chimique catalytique (dossier Particules poreuses interactives- Interactions chimiques catalytiques) ;
-
l’interaction est une réaction chimique consommable (dossier Particules poreuses interactives- Interactions chimiques consommables).
Pour chacune des interactions, l’analyse globale initiale correspondra à un cas où l’influence de certains processus élémentaires observables sera supposée négligeable. Lorsque cette dernière hypothèse ne sera pas vérifiée nous donnerons son impact sur l’interaction. Enfin, pour chacune des trois interactions, nous présenterons un cas simplifié d’analyse globale permettant au lecteur d’avoir une quantification de l’incidence des processus élémentaires de transfert sur l’interaction chimique ou physique.L’analyse globale d’une interaction physique et/ou chimique au sein d’une particule poreuse ne peut déboucher sans une connaissance préalable de la morphologie de la particule et des caractéristiques physico-chimiques de transfert de matière et de chaleur à associer aux interactions.L’objet de ce dossier Particules poreuses interactives- Morphologie et caractérisation est de rappeler, d’une part, les modèles simplissimes de morphologie avec les paramètres de transfert associés et, d’autre part, les données thermodynamiques et cinétiques propres à chacun des trois types d’interactions examinés successivement dans les dossiers suivants.
Les notions présentées dans ces dossiers se retrouvent dans de nombreux livres en langue anglaise et française. On trouvera, dans la bibliographie les principaux ouvrages en langue anglaise [12] [13] [17] et en langue française [18] [19] sur lesquels s’appuient les exposés.
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Modèles morphologiques d’une particule solide poreuse1. Processus élémentaires observables au sein d’une particule poreuse
De nombreuses interactions chimiques et physiques mettent en jeu une phase fluide et une phase solide. Ces interactions sont à l’origine de procédés de séparation (adsorption, chromatographie, échange d’ions, séchage, filtration, etc.) et/ou de procédés de transformations chimiques catalytiques ou consommables. Pour accroître les interactions par unité de volume ou de masse de solide, la phase solide doit être divisée lorsqu’elle est naturelle ou rendue microporeuse dans le cas de particules solides synthétiques. Ainsi est-il courant d’avoir des surfaces spécifiques (surface par unité de masse) allant de plusieurs mètres carrés par gramme jusqu’à 1 000 à 2 000 m2/g (cas des charbons actifs).
L’obtention de ces surfaces spécifiques nécessite la présence d’une microporosité dans laquelle les transports diffusionnels de la matière ne deviennent plus négligeables devant d’éventuels transferts convectifs.
En définitive, pour un soluté de la phase fluide devant subir une interaction au sein de la phase solide, le transfert de matière de la phase fluide au site d’interaction comportera, dans le cas le plus général, les processus élémentaires suivants (figure 1) :
-
un transfert diffusionnel au sein de la couche limite située au voisinage de la surface externe de la phase solide, caractérisé par un coefficient de transfert convectif kC (étape (1)) ;
-
un transfert diffusionnel au sein du milieu poreux en phase fluide et en phase adsorbée caractérisé par les diffusivités apparentes DeV et DeA (étapes (2) et (3)) ;
-
un transfert convectif au sein du milieu poreux caractérisé par une vitesse moyenne u et une perméabilité B (étape (4)).
De plus, lorsque l’interaction est accompagnée d’un transfert simultané d’énergie, les processus élémentaires de transfert de chaleur sont à associer aux processus élémentaires de transfert de matière, à savoir :
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un transfert au sein de la couche limite située au voisinage de la surface externe de la phase solide, caractérisé...
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Processus élémentaires observables au sein d’une particule poreuse
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RYAN (O.), CARBONEL (R.G.), WHITAKER (S.) - * - Chem. Eng. Sci. (USA) 35, p. 10 (1980).
-
(2) - ADROUTSOPOULOS (G.P.), MANN (R.I.) - * - Chem. Eng. Sci. (USA) 34, p. 1203 (1979).
-
(3) - MANN (R.), GOLDSHAN (H.) - * - Chem. Eng. Commun. (GB) 12, p. 377 (1981).
-
(4) - MANN (R.), ANDROUTSOPOULOS (G.P.), GOLDSHAN (H.) - * - Chem. Eng. Sci. (USA) 36, p. 337 (1981).
-
(5) - EVANS (J.W.), ABBASI (M.H), SARIN (A.) - * - Chem. Phys. (USA) 72, p. 2967 (1980).
-
(6) - NAKANO (Y.), EVANS (J.W.) - * - Applied Catalysis (NL) 78, p. 2568 (1983).
-
(7) - ABBASI (M.H.), EVANS (J.W.),...
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