Article de référence | Réf : AF6211 v1

Conclusions
De la cinétique chimique élémentaire aux mécanismes cinétiques détaillés

Auteur(s) : Laurent CATOIRE

Date de publication : 10 avr. 2018

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RÉSUMÉ

La modélisation mettant en œuvre la cinétique chimique détaillée est capable aujourd’hui de prévisions qualitatives mais aussi, de plus en plus fréquemment, quantitatives dans de nombreux domaines tels que la combustion des hydrocarbures, de l’hydrogène, de certains métaux ou encore la pyrolyse de diverses substances. Le présent article décrit la stratégie qui peut être suivie pour la constitution des mécanismes cinétiques détaillés. De nombreuses applications peuvent ainsi être travaillées aussi bien pour des systèmes organiques que pour des systèmes inorganiques : synthèses de matériaux par combustion, dépôts chimiques (CVD thermique en particulier), propulsion, incinération des déchets, émissions des polluants, systèmes de dépollution, procédés pour l’énergie, etc.

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ABSTRACT

Elementary Chemical Kinetics and Detailed Chemical Kinetic Models

Combustion and pyrolysis of hydrocarbons, hydrogen, metals, biomass, etc. are studied today using detailed chemical kinetic models that have generally moderate to high predictive abilities. This article describes various approaches to generating these models. Numerous applications are of interest: thermal chemical vapor deposition (CVD), propulsion, incineration of all types of wastes, formation of pollutants, process safety, process optimization, various thermal treatments, etc.

Auteur(s)

  • Laurent CATOIRE : Professeur des universités - Directeur de l’Unité Chimie et Procédés (UCP) - École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA ParisTech) - Université Paris-Saclay, Palaiseau, France

INTRODUCTION

Le but de l’article est de présenter l’approche moderne de la cinétique chimique en particulier celle appliquée à la combustion au sens large (du feu de cheminée à Ariane 6) et aux traitements thermiques. Cette même approche pourrait être appliquée à de nombreux autres domaines. La cinétique chimique détaillée est aujourd’hui capable de permettre des prévisions qualitatives sur de nombreux systèmes et quantitatives sur quelques systèmes. Cette approche ne se substitue pas à l’approche thermodynamique qui permet de connaître la température, la pression et la composition d’un système à l’équilibre thermodynamique mais elle la complète dans le sens où l’approche thermodynamique ne décrit en rien le temps nécessaire pour atteindre cet équilibre, si jamais cet état d’équilibre est atteint puisque pour beaucoup de procédés le temps de séjour est inférieur au temps d’atteinte de l’équilibre thermodynamique. De ce fait, l’approche thermodynamique est dans de nombreux cas presque sans intérêt et il faut introduire le temps dans les équations pour se rapprocher de la réalité du procédé. Ceci relève de la cinétique chimique et nécessite l’écriture de mécanismes cinétiques détaillés. Pour autant, tout comme l’approche thermodynamique, la cinétique chimique nécessite des données thermodynamiques mais, en plus, des données cinétiques. Le mécanisme cinétique détaillé est ensuite mis en œuvre et confronté à des données expérimentales (structure de flamme, célérité de détonation, vitesses fondamentales de flamme (déflagration), délai d’auto-inflammation, etc.) obtenues dans des appareillages de laboratoire dits idéaux : tubes à choc, réacteurs à écoulement, réacteurs parfaitement agités, réacteurs statiques, principalement. Ces données peuvent être des profils d’espèces, des délais d’auto-inflammation, des profils de pression, entre autres. Il existe par ailleurs de nombreuses données obtenues dans des appareillages industriels moins propices à l’obtention de données sans ambiguïtés quant aux conditions expérimentales (température, pression, écoulement, etc.). Cependant toutes les données sont intéressantes et l’on peut espérer d’un modèle qu’il reproduise les tendances expérimentales à défaut d’être quantitatif, ce qui en soit n’est pas sans intérêt.

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KEYWORDS

combustion   |   chemical kinetics   |   pyrolysis   |   chemical deposition

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6211


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3. Conclusions

L’approche décrite ici peut être appliquée pour tous les systèmes d’intérêt tant au niveau industriel qu’au niveau recherche fondamentale ou recherche appliquée. Elle dépasse largement le cadre des systèmes H2/O2, H2/air, CH4/O2, CH4/air et peut être déclinée pour la combustion des matériaux énergétiques (HMX, RDX, TNT, etc.), la combustion des métaux (Al, Na, Mg, etc.), la combustion des carburants et biocarburants automobiles, aéronautiques et spatiaux (essence, gazole, biodiesel, kérosène, SPK, liquides ioniques énergétiques), les gazéifications (charbon, biomasse, déchets, etc.), l’incinération, le vaporeformage du méthane pour produire de l’hydrogène (procédé SMR), la formation et l’émission des polluants (NO x , COV, suies (PM), etc.), et de manière générale pour n’importe quel procédé faisant appel à un traitement thermique ou conduisant à l’introduction d’espèces réactives dans le milieu (plasma thermique, plasma froid, CVD thermique, etc.). Il sera de plus en plus nécessaire, et aussi probablement de plus en plus aisé, de tenir compte de ces aspects dans les codes CFD industriels ou commerciaux et les thématiques décrites ici sont appelées à un développement très conséquent.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - STEINFELD (J.I.), FRANCISCO (J.S.), HASE (W.L.) -   Chemical kinetics and dynamics.  -  Second edition. Prentice Hall (1998).

  • (2) - GARDINER (W.C.) -   Gas-phase combustion chemistry.  -  Second edition. Springer (2000).

  • (3) - LI (J.), ZHAO (Z.), KAZAKOV (A.), DRYER (F.L.) -   An Updated Comprehensive Kinetic Model of Hydrogen Combustion,  -  Int. J. Chem. Kinet. 36 : 566-575 (2004).

1 Outils logiciels

GAUSSIAN

http://gaussian.com/

CHEMKIN

http://www.ansys.com/products/fluids/ansys-chemkin-pro

COSILAB

http://www.rotexo.com/index.php/en/

CANTERA

http://www.cantera.org

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2 Événements

Symposium International de Combustion organisé par le Combustion Institute tous les deux ans.

http://www.combustioninstitute.org

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3 Annuaire

Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Groupement Français de Combustion (GFC)

http://www.combustioninstitute.fr/

Combustion Institute

http://www.combustioninstitute.org

Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)

UCP (Unité Chimie et Procédés)

http://ucp.ensta-paristech.fr/

ICARE (Institut de Combustion, Aérothermique,...

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