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RÉSUMÉ
Dans les interactions chimiques au sein d’un grain de catalyseur, le nombre de processus élémentaires intervenant peut être important. Cette interaction est présentée ici dans le cas d’une réaction à stœchiométrie unique simple se déroulant dans des conditions isothermes. L’influence de la non-isothermicité est étudiée, puis le cas des transformations à stœchiométrie multiple ainsi que l’influence d’un écoulement convectif et d’un transfert diffusionnel en phase absorbée.
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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
Si l’on considère les interactions chimiques au sein d’un grain de catalyseur, le nombre de processus élémentaires intervenant peut devenir important puisque, dans le cas d’une réaction catalytique où seul le réactif A réagit à la surface d’un grain de catalyseur pour donner un produit P, on observe déjà sept processus élémentaires (figure 1), soit :
-
un transfert par diffusion externe du réactif A à travers la couche limite située au voisinage du grain ;
-
un transfert par diffusion interne du réactif A dans la structure poreuse du catalyseur. Ce transfert peut se faire uniquement par diffusion mais un écoulement convectif peut apparaître dans certains cas ;
-
une chimisorption du réactif A sur un site actif de la surface interne du grain ;
-
une réaction entre espèces adsorbées permettant de transformer le réactif A adsorbé en produit P adsorbé ;
-
une désorption du produit P adsorbé (inverse de l’adsorption de A) ;
-
un transfert par diffusion interne du produit P dans la structure poreuse du catalyseur (inverse du transfert par diffusion interne du réactif A) ;
-
un transfert par diffusion externe du produit P dans la couche limite située au voisinage du grain (inverse du transfert par diffusion externe du réactif A).
Les trois étapes : adsorption de A, réaction entre espèces adsorbées et désorption de P, constituent le processus réactionnel et sont intégrées dans l’expression de la vitesse de la transformation chimique catalytique. Cette vitesse est généralement exprimée par unité de masse ou de volume du catalyseur (r M ou r V ).
Dans les processus de transfert, nous avons négligé le transfert diffusionnel en phase adsorbée. Nous verrons que, dans certaines conditions, la prise en compte de ces transferts peut modifier notablement les performances observées au niveau du grain de catalyseur.
Pour des transformations chimiques mettant en œuvre plusieurs réactifs et/ou produits, plusieurs étapes réactionnelles indépendantes (transformations chimiques à stœchiométries multiples), ainsi que pour les transformations chimiques non isothermes et/ou non isobares, le nombre de processus élémentaires est plus élevé et, aux bilans de matière, il faudra associer les bilans d’énergie et/ou de quantité de mouvement.
L’analyse de l’interaction au niveau d’une particule de catalyseur est nécessaire pour atteindre l’un des deux objectifs suivants :
-
préciser le débit de réactif consommé pour une interaction chimique donnée, les conditions externes au grain de compositions et de températures étant fixées ;
-
déterminer la cinétique de l’interaction connaissant le débit de réactif consommé pour des conditions opératoires externes au grain fixées.
Dans ce qui suit, nous allons étudier cette interaction dans le cas d’une réaction à stœchiométrie unique simple se déroulant dans des conditions isothermes. Puis nous préciserons l’influence de la non-isothermicité. Nous examinerons ensuite le cas des transformations à stœchiométrie multiple ainsi que l’influence d’un écoulement convectif et d’un transfert diffusionnel en phase absorbée.
Les processus étudiés dans ce dossier [J 1 093] font appel à des notions présentées dans les deux premiers volets de l’ensemble concernant les particules poreuses interactives :
-
– Particules poreuses interactives – Morphologie et caractérisation ;
-
– Particules poreuses interactives – Interactions physiques d’adsorption, déjà parus dans les Techniques de l’Ingénieur.
Le lecteur pourra s’y reporter si nécessaire.
En dehors des ouvrages généraux , on pourra consulter les chapitres correspondants de la référence .
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2. Influence de la non-isothermicité sur une interaction catalytique
Pour préciser l’influence de la non-isothermicité, nous nous placerons dans le cas d’une réaction catalytique d’ordre cinétique 1, mais les analyses présentées peuvent être étendues à toute loi de vitesse.
La particule de catalyseur étant représentée par le modèle pseudo-homogène du feuillet de demi-épaisseur
, en régime stationnaire et en l’absence d’écoulement convectif interne, les bilans différentiels de matière et d’énergie entre les épaisseurs x et x + dx s’écrivent respectivement :
avec :
- T ′ :
- température du fluide et du solide à l’épaisseur x.
Dans l’équation ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WEISZ (P.B.), HICKS (J.S.) - The behaviour of porous catalyst particles in view of internal mass and heat diffusion effects. - Chem. Eng. Sc. (USA), 17, p. 265-275 (1962).
-
(2) - LE GOFF (P.), ZOULALIAN (A.) - Un modèle simple de réaction-diffusion-conduction thermique dans et autour d’une particule poreuse. - Part 1 : Diffusion interne.The Chem. Eng. Journal (CH), 12, p. 33-46 (1976). Part 2 : Diffusion externe – The Chem. Eng. Journal (CH), 12, p. 47-57 (1976).
-
(3) - PETERSEN (E.E.) - Chemical reaction analysis. - Prentice Hall. Englewoods Cliffs (N.J.) USA (1965).
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(4) - CARBERRY (J.J.) - Chemical and catalytic reaction engineering. - New York, Mc Graw Hill (1976).
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(5) - SATTERFIELD (C.N.) - Mass transfer in heterogeneous catalysis. - Cambridge, MIT Press (1970).
-
(6) - RODRIGUES (A.E.), ORFAO (J.M.), ZOULALIAN (A.) - Intraparticle...
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