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Article de référence | Réf : AF6215 v1

Modélisation thermodynamique des solutions d’électrolytes

Auteur(s) : Patrice PARICAUD

Date de publication : 10 mars 2022

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RÉSUMÉ

Les solutions d’électrolytes sont omniprésentes dans l’industrie chimique. La modélisation des opérations unitaires impliquant des électrolytes nécessite l’utilisation de modèles thermodynamiques spécifiques prenant en compte les interactions entre les ions. L’objectif de cet article est de présenter le formalisme propre aux systèmes électrolytiques, et les principaux modèles utilisés pour déterminer les propriétés thermodynamiques des solutions d’électrolytes, la composition des différentes espèces chimiques, et les équilibres entre phases.

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ABSTRACT

Thermodynamic Modelling of Electrolyte Solutions

Electrolyte solutions are ubiquitous in the chemical industry. The modeling of unit operations involving electrolytes requires the use of specific thermodynamic models taking into account the interactions between ions. The objective of this article is to present the formalism specific to electrolyte systems, and the main models used to determine the thermodynamic properties of electrolyte solutions, the composition of different chemical species, and phase equilibria.

Auteur(s)

  • Patrice PARICAUD : Professeur de thermodynamique et de génie des procédés - Docteur de l’Imperial College London, Ingénieur de l’ENSIC Nancy - Unité de Chimie et Procédés (UCP), ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, France.

INTRODUCTION

Les solutions d’électrolytes sont rencontrées dans de nombreuses applications industrielles. Dans l’industrie pétrolière et gazière, les électrolytes sont présents dans les procédés de captage des gaz acides (CO2, H2S) par absorption chimique ou dans les systèmes d’hydrocarbures en présence de saumure. Les solutions d’électrolytes sont présentes également dans les unités de traitement de l’eau et les procédés de dessalement, en hydrométallurgie et dans la production d’engrais. Les électrolytes jouent un rôle primordial dans les problèmes de corrosion, et sont utilisés dans les systèmes de production et de stockage d’énergie tels que les batteries, les supercondensateurs, les électrolyseurs et les piles à combustible, le stockage de l’hydrogène dans les cavités salines, ainsi que dans les systèmes de réfrigération et de contrôle de l’humidité de l’air.

La connaissance des propriétés thermochimiques des électrolytes est essentielle pour le dimensionnement des installations : par exemple le dimensionnement des colonnes d’absorption et de désorption dans le procédé de captage du dioxyde de carbone est directement lié aux équilibres chimiques et aux propriétés thermodynamiques de solutions contenant des espèces ioniques. La solubilité du gaz dans une solution aqueuse, ainsi que la teneur en eau dans la phase vapeur, sont également liées à la teneur en sel dans cette solution. La solubilité d’un sel et les vitesses de cristallisation sont aussi directement liées aux coefficients d’activité des ions en solution, et le dimensionnement d’un cristalliseur nécessite une connaissance approfondie de ces propriétés. L’objectif de cet article est de définir les propriétés thermodynamiques communément utilisées pour les solutions d’électrolytes et de présenter les principaux modèles disponibles permettant de calculer les propriétés sur un large domaine de température et de concentration en sel. Nous présentons également quelques exemples d’applications industrielles.

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KEYWORDS

salts   |   osmotic coefficient   |   Debye-Hückel   |   equation of state   |   SAFT   |   eNRTL   |   Pitzer

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6215


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - NIST -   Fundamental physical constants,  -  https:// physics.Nist.Gov/cuu/constants/. (2021).

  • (2) - ARCHER (D.G.), WANG (P.) -   The dielectric constant of water and debye-hückel limiting law slopes.  -  Journal of physical and chemical reference data 19, 371-411 (1990).

  • (3) - GMEHLING (J.), KLEIBER (M.), KOLBE (B.), RAREY (J.) -   Chemical thermodynamics for process simulation.  -  (Wiley Online Library, 2019).

  • (4) - WANG (P.), ANDERKO (A.) -   Computation of dielectric constants of solvent mixtures and electrolyte solutions.  -  Fluid Phase Equilib. 186, 103-122 (2001).

  • (5) - MARIBO-MOGENSEN (B.), KONTOGEORGIS (G.M.), THOMSEN (K.) -   Modeling of dielectric properties of aqueous salt solutions with an equation of state.  -  J. Phys. Chem. B 117, 10523-10533 (2013).

  • (6) - MARIBO-MOGENSEN...

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