Bibliographie & annexes
Présentation
English
Auteur(s)
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Christine ROIZARD : Laboratoire des sciences du Génie chimique CNRS-ENSIC - Professeur à l’École supérieure d’ingénieurs des techniques de l’industrie (Institut national polytechnique de Lorraine)
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Gabriel WILD : Laboratoire des sciences du Génie chimique CNRS-ENSIC - Directeur de recherche au CNRS
-
Jean-Claude CHARPENTIER : Professeur et Directeur de l’École supérieure de chimie, physique, électronique de Lyon - Directeur de recherche au CNRS - Ancien Directeur scientifique du département Sciences pour l’ingénieur du CNRS
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Nombreuses sont les applications industrielles où une espèce gazeuse est transférée d’un mélange de gaz dans une phase liquide contenant un ou plusieurs réactifs avec le(s)quel(s) le gaz dissous peut réagir. On peut citer, par exemple, les procédés en phase liquide comme les hydrogénations, les oxydations, les halogénations... ou encore les procédés de lavage de gaz (H2S, SO2 , NOx , Cl2 , HCI, HF, COV (*)...) dans la lutte contre la pollution de l’air, voire les procédés biologiques ou les procédés de fabrication de produits purs.
(*) COV : composés organiques volatils.
Les performances globales de l’absorbeur, rendements et sélectivité, dépendent des phénomènes mis en jeu :
-
équilibres thermodynamiques à l’interface (solubilités) ;
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lois de transport dans les phases (diffusivités) ;
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lois de transfert au voisinage des interfaces (coefficients de transfert, aires interfaciales) ;
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cinétiques des réactions chimiques (schémas réactionnels, constantes cinétiques, ordres de réactions).
Selon le système considéré, notamment en fonction des temps caractéristiques de transfert, de transport ou de réaction, l’absorbeur devra être choisi soit en fonction de ses performances du point de vue transfert de matière, soit en fonction du volume de liquide mis en jeu. En conséquence, les absorbeurs utilisés dans l’industrie ont des formes très diverses :
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réacteurs tubulaires à bulles, à gouttes, à film tombant, à garnissage, à plateaux ;
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réacteurs à cuve agitée mécaniquement ;
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réacteurs de type jets ou venturis.
Le but de cet article est de donner les outils indispensables au choix d’un absorbeur et à sa mise en œuvre dans des conditions hydrodynamiques et énergétiques optimales. Le fonctionnement est bien entendu lié aux différents paramètres des phénomènes mis en jeu. Ensuite, le dimensionnement et l’extrapolation du réacteur nécessitent l’établissement d’un modèle mathématique comportant une théorie de l’absorption avec réaction chimique en rapport avec la réalité et bien adapté à l’objectif visé.
C’est pourquoi nous présenterons :
-
la théorie de l’absorption avec réaction chimique, qui est nécessaire à l’établissement du modèle du réacteur ;
-
les techniques de mesure des paramètres caractérisant le transfert de matière, qui interviennent dans ce modèle.
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Aires interfaciales et coefficients de transfert de matière
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2. Transfert de matière dans les réacteurs gaz-liquide
2.1 Absorption physique
Lorsque l’on met en œuvre l’absorption d’une espèce gazeuse dans une solution liquide, outre les phénomènes de transport au sein des deux phases par diffusion moléculaire, convection..., se produisent des phénomènes de transfert de la phase gazeuse vers la phase liquide au niveau de l’interface. Les conditions dans la région très proche de cette interface sont très difficiles à observer expérimentalement; on est, de ce fait, souvent amené à utiliser des modèles simples issus de la mécanique des fluides et décrivant des couches limites au voisinage de l’interface [3] [4].
Le facteur le plus important, en ce qui concerne le transfert de matière vers (ou à partir d’) un écoulement turbulent, est l’existence d’une résistance au transfert de matière localisée dans une région de faible épaisseur, adjacente à l’interface.
Il n’y a flux de transfert de matière que lorsqu’il n’y a pas équilibre thermodynamique entre l’interface et le sein du fluide ; il est donc opportun d’utiliser une différence de potentiel motrice définie comme un écart à l’équilibre. On pourrait utiliser les activités et les potentiels chimiques dans les équations des flux, mais, dans la réalité, on se servira presque toujours des concentrations (en mol · m–3).
Dans tout ce qui suit, nous supposerons qu’à l’interface, la concentration
correspond à l’équilibre avec la pression partielle pAi . Ce faisant, nous supposons qu’il n’y a pas de résistance de transfert interfaciale ; cette hypothèse est vérifiée dans la majeure partie des cas. Elle risque d’être caduque lorsque l’on est...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TRAMBOUZE (P.) - Réacteurs chimiques. II Technologie. - , Traité Génie des procédés, Techniques de l’Ingénieur, Paris, déc. 1993.
-
(2) - CHARPENTIER (J.C.) - Gas-liquid reactors. - LUSS et WEEKMAN Eds, Chem. React. Engng. Reviews, Houston, 223, (1978).
-
(3) - BIRD (R.B.) , STEWART (W.E.), LIGHTFOOT (E.N.) - Transport Phenomena. - John Wiley & Sons, New York, (1960).
-
(4) - SHERWOOD (T.K.), PIGFORD (R.L.), WILKE (C.R.) - Mass Transfer. - Mc Graw-Hill, New York, (1975).
-
(5) - WHITMAN (W.G.) - A preliminary confirmation of the two-film theory of gas absorption. - Chem. Met. Eng., 29, 146, (1923).
-
(6) - HIGBIE (R.) - The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short periods of exposure. - Trans. A.I.Ch.E., 35, 365, (1935).
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