Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
De nombreuses interactions chimiques et physiques mettent en jeu une phase fluide et une phase solide. Ces phénomènes physiques et/ou chimiques sont rendus possibles par la présence d’une microporosité dans laquelle les transports diffusionnels de la matière ne deviennent plus négligeables devant d’éventuels transferts convectifs. Cet article présente les modèles simplifiés de morphologie de la particule, ainsi que les paramètres de transfert associés. Sont ensuite exposées les données thermodynamiques et cinétiques des trois types d’interactions couramment établies.
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Auteur(s)
-
André ZOULALIAN : Professeur à l’université Henri-Poincaré (Nancy I) - Docteur ès sciences - Docteur-ingénieur ENSIC (École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy)
INTRODUCTION
De nombreux phénomènes physiques et/ou chimiques se déroulent au sein de milieux solides poreux naturels ou synthétiques. La morphologie de ces milieux n’est pas nécessairement structurée et l’analyse des interactions nécessite d’imaginer une simplification de la texture. Cette représentation simplifiée n’empêche pas l’obtention de résultats globaux cohérents permettant l’optimisation, l’automatisation et l’extrapolation des procédés industriels à base de ces interactions.L’objectif de cette étude est de présenter au lecteur, au niveau d’une particule solide, l’analyse globale d’une interaction se déroulant au sein de la particule dans l’un des trois cas suivants :
-
l’interaction est une adsorption physique (dossier Particules poreuses interactives- Interactions physiques d’adsorption) ;
-
l’interaction est une réaction chimique catalytique (dossier Particules poreuses interactives- Interactions chimiques catalytiques) ;
-
l’interaction est une réaction chimique consommable (dossier Particules poreuses interactives- Interactions chimiques consommables).
Pour chacune des interactions, l’analyse globale initiale correspondra à un cas où l’influence de certains processus élémentaires observables sera supposée négligeable. Lorsque cette dernière hypothèse ne sera pas vérifiée nous donnerons son impact sur l’interaction. Enfin, pour chacune des trois interactions, nous présenterons un cas simplifié d’analyse globale permettant au lecteur d’avoir une quantification de l’incidence des processus élémentaires de transfert sur l’interaction chimique ou physique.L’analyse globale d’une interaction physique et/ou chimique au sein d’une particule poreuse ne peut déboucher sans une connaissance préalable de la morphologie de la particule et des caractéristiques physico-chimiques de transfert de matière et de chaleur à associer aux interactions.L’objet de ce dossier Particules poreuses interactives- Morphologie et caractérisation est de rappeler, d’une part, les modèles simplissimes de morphologie avec les paramètres de transfert associés et, d’autre part, les données thermodynamiques et cinétiques propres à chacun des trois types d’interactions examinés successivement dans les dossiers suivants.
Les notions présentées dans ces dossiers se retrouvent dans de nombreux livres en langue anglaise et française. On trouvera, dans la bibliographie les principaux ouvrages en langue anglaise [12] [13] [17] et en langue française [18] [19] sur lesquels s’appuient les exposés.
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Données nécessaires à l’étude des interactions
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2. Modèles morphologiques d’une particule solide poreuse
Une particule poreuse est constituée par une phase fluide et une phase solide occupant respectivement les fractions volumiques ε i et 1 – ε i où ε i est la porosité interne de la particule.
Cette information est généralement obtenue à l’aide d’un porosimètre à mercure qui permet d’atteindre non seulement ε i mais, également, la distribution des diamètres de pores supposés cylindriques circulaires (figure 2).
Pour représenter la particule poreuse, deux grandes familles de modèles morphologiques peuvent être envisagés :
-
les modèles morphologiques hétérogènes où l’on sépare la phase fluide et la phase solide ;
-
les modèles morphologiques pseudo-homogènes où les deux phases sont intimement associées.
Ces deux modèles font apparaître des grandeurs structurales qui ne sont pas accessibles directement à partir des mesures physico-chimiques susceptibles d’être effectuées sur la particule de solide (masse volumique, surface spécifique, distribution des diamètres de pores, etc.). C’est pourquoi certains auteurs ont développé, ces dernières années, des modèles stochastiques [modèles mathématiques probabilistes résultant d’une simulation numérique d’un grand nombre de cas (cf. § 2.3)] permettant de représenter plus correctement le milieu poreux. Nous n’insisterons pas trop sur ces modèles car ils restent trop compliqués pour décrire une interaction chimique catalytique, et surtout consommable, en présence de transferts simultanés de matière et de chaleur.
2.1 Modèles hétérogènes
Dans la particule solide, le volume occupé par la phase fluide est constitué par un faisceau de capillaires cylindriques, tortueux et indépendants (figure 3). Ce modèle fait apparaître trois grandeurs géométriques :
-
le diamètre des capillaires dc ou la distribution des rayons de capillaires f (r) ;
-
la longueur des capillaires Lc ;
-
le...
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Modèles morphologiques d’une particule solide poreuse
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RYAN (O.), CARBONEL (R.G.), WHITAKER (S.) - * - Chem. Eng. Sci. (USA) 35, p. 10 (1980).
-
(2) - ADROUTSOPOULOS (G.P.), MANN (R.I.) - * - Chem. Eng. Sci. (USA) 34, p. 1203 (1979).
-
(3) - MANN (R.), GOLDSHAN (H.) - * - Chem. Eng. Commun. (GB) 12, p. 377 (1981).
-
(4) - MANN (R.), ANDROUTSOPOULOS (G.P.), GOLDSHAN (H.) - * - Chem. Eng. Sci. (USA) 36, p. 337 (1981).
-
(5) - EVANS (J.W.), ABBASI (M.H), SARIN (A.) - * - Chem. Phys. (USA) 72, p. 2967 (1980).
-
(6) - NAKANO (Y.), EVANS (J.W.) - * - Applied Catalysis (NL) 78, p. 2568 (1983).
-
(7) - ABBASI (M.H.), EVANS (J.W.),...
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