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RÉSUMÉ
Les interactions chimiques « consommables » sont toutes celles où une réaction chimique met en œuvre une phase solide qui se transforme en phase fluide et/ou en une autre phase solide. Elles sont nombreuses au niveau industriel : régénérations des catalyseurs solides, dissolution réactive d’un solide, etc. Au niveau de la particule solide, deux grandes familles permettent de modéliser l’interaction consommable : les modèles à volume réactionnel et à propriétés de transfert constants, et ceux à volume réactionnel et/ou à propriétés de transfert variables.
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André ZOULALIAN : Professeur à l’université Henri-Poincaré (Nancy II) - Docteur ès sciences - Docteur-ingénieur ENSIC (École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy)
INTRODUCTION
Les interactions chimiques dites « consommables » concernent toutes celles où une réaction chimique met en œuvre une phase solide qui se transforme en phase fluide et/ou en une autre phase solide. Elles sont nombreuses au niveau industriel. On peut citer les régénérations des catalyseurs solides, la dissolution réactive d’un solide, les nombreuses opérations de transformations des industries minérales et sidérurgiques.
Au niveau de la particule solide, l’interaction consommable ne peut pas être analysée par un seul modèle. On trouve, dans des ouvrages généraux, plusieurs types de modèles adaptés aux interactions, mais ces modèles peuvent être rassemblés en deux grandes familles, à savoir :
-
la famille de modèles à volume réactionnel et à propriétés de transfert constants ;
-
la famille de modèles à volume réactionnel et/ou à propriétés de transfert variables.
Pour la première famille, la modélisation de l’évolution de la particule est représentative des grandeurs réelles et une métrologie fine peut permettre de valider les profils de température et composition observés au sein de la particule.
Pour la deuxième famille, l’objectif de la modélisation est de représenter au mieux l’évolution macroscopique de la particule. Les simplifications sous-jacentes des modèles ne permettent pas généralement de représenter au mieux les profils de composition et de température au sein de la particule. En revanche, le taux de transformation du réactif solide est bien estimé.
Dans ce dossier, nous allons présenter les analyses relatives à ces deux familles.
À l’issue de la description des modèles, nous appliquerons l’un des modèles à la combustion d’une particule de charbon.
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 et en langue française sur lesquels s’appuient les exposés.
Ce dossier est le quatrième fascicule d’une série sur les particules poreuses. Le lecteur devra donc se reporter, lorsqu’il le jugera nécessaire, à :
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5. Exemple d’application : combustion totale d’une particule de charbon
5.1 Énoncé
La combustion de particules sphériques et poreuses de charbon de diamètre d p = 10–3 m est réalisée dans un lit fluidisé de sable dont la température est maintenue constante à 1 073 K. Les caractéristiques des particules sont :
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masse volumique apparente : ρ a = 300 kg · m–3 ;
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surface spécifique : σ = 10 m2 · g–1 ;
-
porosité interne : ε = 0,86 ;
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facteur de tortuosité : τ = 8,6 ;
-
conductivité thermique : λ e = 0,3 W · m–1 · K–1.
Le lit est fluidisé avec de l’air avec une vitesse en fût vide u = 10–2 m · s–1.
La combustion des particules de charbon se déroule en deux étapes, à savoir une oxydation du carbone en monoxyde de carbone suivie par une oxydation en phase gazeuse homogène du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone.
Seule la première étape est du type consommable et nous nous limiterons à cette étape dont la stœchiométrie est :
La cinétique de cette étape a été étudiée par de nombreux auteurs et nous retiendrons, dans l’application, la loi cinétique proposée par Bews et coll. , soit :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BEWS (I.M.), HAYHURST (A.N.), RICHARDSON (S.M.), TAYLOR (S.G.) - The order, Arrhenius parameters, and mechanism of the reaction between gaseous oxygen and solid carbon. - Combustion and Flame, 124, p. 231-245 (2001).
-
(2) - SATTERFIELD (C.N.) - Mass transfer in heterogeneous catalysis. - Cambridge, MIT Press (1970).
-
(3) - FROMENT (G.F.), BISCHOFF (K.B.) - Chemical reactor – Analysis and design. - John Wiley, New York (1972).
-
(4) - LEVENSPIEL (O.) - The chemical reactor omnibook. - Corvalis. OSU Book Stores Inc. (1984).
-
(5) - VILLERMAUX (J.) - Génie de la réaction chimique. Conception et fonctionnement des réactions. - Paris Technique et Documentation (Lavoisier) (1985).
-
(6) - SCHWEICH (D.) coord - Génie de la réaction chimique. - Londres, Paris, New York Technique et Documentation...
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