Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Dans cet article, sont abordées les différentes méthodes expérimentales d'acquisition des courbes de distribution des temps de séjour, la présentation de plusieurs modèles mathématiques de distribution des temps de séjour pour les réacteurs idéaux et pour les réacteurs réels. S'ensuivent les méthodes de traitement du signal permettant, par comparaison entre les courbes expérimentales et les courbes issues des modèles, d'identifier les paramètres de la distribution. Deux exemples sont ensuite développés, l'un sur le modèle des mélangeurs en cascade et l'autre sur le modèle à écoulement piston à dispersion axiale.
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This article deals with the various experimental methods for the acquisition of residence time distribution curves, and presents several mathematical models of residence time distribution for ideal and real reactors. Signal processing methods are provided which allow, via a comparison between experimental curves and curves derived from models, for identification distribution parameters. Two examples are also presented, one based on the model of stirred tanks in series, and the other on the plug flow with axial dispersion model.
Auteur(s)
-
Jean-Léon HOUZELOT : Professeur émérite - Université de Lorraine - École nationale supérieure des industries chimiques Nancy
INTRODUCTION
La notion de distribution des temps de séjour (DTS) est utilisée en génie des procédés pour caractériser l'hydrodynamique d'un réacteur chimique ou de toute autre installation qui sont traversés par un fluide en circulation. Elle permet ainsi :
-
soit de diagnostiquer la présence de zones stagnantes ou de phénomènes de court-circuit ;
-
soit de pouvoir établir un modèle d'écoulement hydrodynamique qui permet de calculer les performances chimiques d'un réacteur.
Sont présentés successivement le rappel des principales propriétés des distributions des temps de séjour, les méthodes expérimentales d'acquisition des courbes de DTS, puis les méthodes d'élaboration des modèles de DTS pour les réacteurs idéaux et pour les réacteurs réels.
Les paramètres d'une DTS sont identifiés par comparaison entre expérience et modèle. Les méthodes de traitement du signal sont nombreuses, allant de la plus simple, c'est-à-dire la méthode des moments, en passant par les transformées de Laplace, puis par les transformées de Fourrier pour enfin aller vers la plus complexe, c'est-à-dire par la méthode de régression non linéaire directement sur les courbes. L'accent est mis non seulement sur les modalités de mise en œuvre, mais aussi sur la précision que l'on peut en attendre.
Deux exemples sont présentés :
-
le premier sur un modèle à compartiments, le modèle des mélangeurs en cascade ;
-
l'autre sur un modèle à paramètres distribués, le modèle à écoulement piston à dispersion axiale.
Deux programmes rédigés sous le logiciel Matlab® permettent au lecteur de mettre en œuvre facilement le mode de traitement le plus précis.
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MOTS-CLÉS
Dynamique des systèmes Age interne Espérance de vie Temps de séjour Modèles hydrodynamiques Génie des procédés Réacteurs chimiques Distribution des temps de séjour Traitement du signal
KEYWORDS
system dynamics | internal age | life expectancy | residence time | hydrodynamic models | process enginneering | chemical reactors | residence time distribution | signal processing
DOI (Digital Object Identifier)
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Modèles de distribution des temps de séjour pour les réacteurs réels
En anglais
3. Distribution des temps de séjour dans les réacteurs idéaux
3.1 Réacteur piston
Comme cela a déjà été évoqué, le réacteur piston se comporte comme un retard pur, c'est-à-dire que l'on retrouve en sortie la même perturbation que celle exercée à l'entrée avec un retard égal au temps de séjour moyen des fluides dans le réacteur.
En désignant par δ (t ) l'impulsion de Dirac, la fonction de distribution des temps de séjour prend la forme :
( 12 )
Pour une perturbation échelon, on obtient :
( 13 )
avec H (t ) fonction Heaviside :
3.2 Réacteur parfaitement agité continu
Soient C0 (t ) le signal d'entrée de la perturbation en concentration et CS (t ) le signal recueilli en sortie. On peut donc écrire à l'instant t un bilan en traceur dans le réacteur :
( 14 )
avec :
- Q :
- débit-volume,
- VR :
- volume du réacteur.
On aboutit à une équation différentielle linéaire qui peut être résolue, soit directement, soit en passant par les transformées de Laplace.
En désignant par τ = VR/Q...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VILLERMAUX (J.) - Génie de la réaction chimique. - Éditions Technique Lavoisier ISBN 2-85206-759-5 (1992).
-
(2) - DANCKWERTS (P.V.) - Continuous flow systems. Distribution of residence times. - Chem. Eng. Sci., 2, p. 1 (1953).
-
(3) - CHOLETTE (A.), CLOUTIER (L.) - Mixing efficiency determinations for continuous flow systems. - The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 37, Issue 3, p. 105-112, juin 1959.
-
(4) - WEN (C.Y.), FAN (L.T.) - Models for Flow Systems and Chemical Reactors. - Marcel Dekker, New York (1975).
-
(5) - LEVENSPIEL (O.) - Chemical Reaction Engineering (3rd ed.). - John Wiley & Sons. ISBN 0-471-25424-X (1999).
-
(6) - VAN SWAAIJ (W.P.M.), CHARPENTIER (J.C.), VILLERMAUX (J.) - Residence time distribution in the liquid phase at trickle flow in packed columns. - ...
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