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Auteur(s)
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Jean-Léon HOUZELOT : Professeur de Génie de la réaction chimique - Directeur de l’École nationale supérieure des industries chimiques (ENSIC)Institut national polytechnique de Lorraine
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Cet article est la mise à jour du paragraphe 6 de l’article « Réacteurs chimiques. Principes » écrit en 1980 par Jacques VILLERMAUX.
Dans cette dernière partie consacrée aux réacteurs chimiques, nous examinons l’influence de la cinétique physique (transfert de matière et de chaleur) sur le fonctionnement des réacteurs comportant plusieurs phases. Étant donné l’importance industrielle de ce type de réacteurs, chacun d’eux mériterait un traitement détaillé. Les principes généraux exposés dans l’article précédent restent bien entendu applicables. Nous voulons seulement mettre en évidence ci-après le couplage entre réaction chimique et phénomènes de transport. Celui-ci intervient notamment pour modifier l’expression de la vitesse apparente de la réaction qui figure dans les équations caractéristiques des réacteurs.
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Réactions fluide-solide non catalytiques
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1. Réactions catalytiques fluide-solide
Dans la mise en œuvre des réactions de catalyse hétérogène, les réactifs présents dans un fluide vont réagir à la surface active d’un catalyseur solide poreux. Les produits de la réaction repartent de la surface catalytique vers le sein du fluide. L’accomplissement de la réaction implique plusieurs étapes placées en série : diffusion à travers la couche limite entourant les grains de solide (transfert externe), diffusion au sein du solide poreux (transfert interne), adsorption/désorption à la surface, et réaction chimique proprement dite, en phase adsorbée. La chaleur de réaction diffuse simultanément à l’extérieur et à l’intérieur du solide. C’est la plus difficile de ces étapes en série qui impose sa vitesse (cf. article [46] dans le présent traité). Nous en rappelons ci-après les résultats essentiels. Les notations sont voisines de celles de ces auteurs, quoique les indices soient un peu différents, compte tenu des nécessités de cohérence interne de l’exposé.
1.1 Transport externe et interne
Considérons un grain de catalyseur dans un lit fixe parcouru par un courant convectif de fluide. Les densités de flux de matière N D et de chaleur N w entre le fluide et la surface, à travers la couche limite entourant le grain peuvent se mettre sous la forme :
L’indice e caractérise le fluide extérieur baignant le grain et l’indice s caractérise les valeurs à la surface. Les ouvrages de cinétique physique proposent des corrélations adaptées à chaque cas pour prévoir les conductances de transfert de matière k D et de chaleur h, par exemple, des formules de type Ranz et Levenspiel [38] :
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Réactions catalytiques fluide-solide
(d’après l’article de M. VILLERMAUX)
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - JOTTRAND (R.) - Introduction à la théorie des réacteurs chimiques. - Ind. Chim. Belge, 30, p. 119 (1965).
-
(2) - BOUDART (M.) - Kinetics of chemical processes, - Prentice Hall (1968).
-
(3) - DAMKÖHLER (G.) - Einflüsse der Strömung Diffusion und des Wärmeüberganges auf die Leistung von Reaktionsölen I. Allgemeines Gesichtpunkte für die Übertragung eines chemischen Prozesses aus dem Kleinen ins Grosse. - Z. Elektrochem (D), 42, p. 846 (1936).
-
(4) - BARRÉRE (M.), PRUD’HOMME (R.) - * - Équations fondamentales de l’aérothermochimie. Masson (1973).
-
(5) - CALDERBANK (P.H.) - Contact process converter design. - Chem. Eng. Prog. (USA), 49, p. 585 (1953).
-
(6) - CARBERRY (J.J.) - Chemical and catalytic reaction engineering. - McGraw-Hill...
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