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RÉSUMÉ
Le transport et le transfert des fluides au sein de particules poreuses peuvent se faire en l’absence de transformation chimique, c’est le cas entre autres de l’adsorption. Cet article présente une analyse simplifiée, et une modélisation de ce phénomène pour une particule d’adsorbant obtenue par agglomération et placée dans un écoulement. Il étudie tour à tour l’adsorption isotherme et l’adsorption non isotherme, cette dernière correspondant au cas où la résistance de transfert thermique ne peut être négligée. Un exemple d’application est fourni pour clore l’article.
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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
Dans plusieurs procédés industriels, le transport et le transfert des fluides au sein de particules poreuses se font en l’absence de transformation chimique. C’est en particulier le cas des colonnes d’adsorption, de certaines colonnes chromatographiques, des opérations de séchage de produits naturels poreux, etc.
Dans ce dossier, nous privilégierons les analyses des milieux poreux représentatifs des adsorbants synthétiques où les particules d’adsorbant (de quelques millimètres) sont obtenues par agglomération de microcristallites (de quelques micromètres) également poreuses.
C’est, en particulier, le cas de certaines alumines, des charbons actifs et des tamis moléculaires (figure 1).
Dans ce cas, il faudra distinguer les transferts diffusionnels au sein des microcristallites de ceux observés dans le volume poreux extérieur aux microcristallites qui représente la macroporosité de la particule, le volume poreux des microcristallites correspondant à la microporosité de la particule.
En définitive, ce dossier va se limiter à une analyse simplifiée de l’adsorption dans le cas d’une particule d’adsorbant obtenue par agglomération, placée dans un écoulement. Pour la description des différents adsorbants industriels, de leurs caractéristiques physico-chimiques et des procédés industriels d’adsorption, on pourra consulter le dossier Adsorption du traité Génie Chimique. De plus, si l’on souhaite avoir des informations théoriques complémentaires sur ces différents aspects, on pourra consulter l’ouvrage proposé par D.M. Ruthven sur lequel nous nous appuyons.
Enfin, l’adsorption est un phénomène exothermique. Par suite, un échange d’énergie thermique entre la particule et le milieu extérieur peut apparaître. Dans le paragraphe 2, nous nous placerons dans le cas où la résistance de transfert thermique est négligeable (adsorption isotherme). L’étude de l’adsorption non isotherme sera présentée dans le paragraphe 3 et un exemple d’application de l’adsorption d’un composé organique sur un tamis moléculaire sera traité dans le paragraphe 4.
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Présentation du phénomène d’adsorption
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4. Exemple d’application
4.1 Énoncé
Une adsorption de n-butane est réalisée dans un lit fluidisé d’un tamis moléculaire 5 A dont les caractéristiques sont :
-
diamètre des particules sensiblement sphériques : d p = 3,2 × 10–3 m ;
-
masse volumique apparente : ρ a = 1 070 kg × m–3 ;
-
capacité thermique massique : C p = 1 300 J × kg–1 × K–1 ;
-
porosité des macropores : ε M = 0,32 ;
-
diamètre moyen des macropores : d M = 320 nm = 3,2 × 10–7 m ;
-
diamètre moyen des cristallites supposées sphériques : d c = 3,6 µm = 3,6 × 10–6 m.
Le lit de tamis est fluidisé à l’aide d’un courant d’azote pur à la température T e = 491 K sous une pression totale voisine de la pression atmosphérique (soit P t » 105 Pa). À un instant pris comme origine du temps, le débit d’azote est remplacé par un débit identique d’un mélange azote + n-butane dont la fraction molaire en n-butane est de 6,58 %. Au bout de 20 s, le nombre de moles de n-butane adsorbées représente 25 % du nombre maximal de moles adsorbées dans ces conditions.
Dans le domaine de concentration du n-butane, l’isotherme d’adsorption est linéaire et la constante d’équilibre K ’ telle que C * = K ’P (où P est la pression partielle du n-butane dans le courant d’azote) est donnée par la relation :
avec
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MOUCHOT (N.), ZOULALIAN (A.) - * - Canadian Journal of Chemical Engineering (Can) 83, p. 328 (2005).
-
(2) - RUTHVEN (D.M.) - Principles of adsorption and adsorption processes - . Chichester John Wiley and Sons (1984).
-
(3) - GARG (D.R.), RUTHVEN (D.M.) - * - Chem. Eng. Sci. (USA) 27, p. 417 (1972).
-
(4) - RUTHVEN (D.M.), DERRAH (R.I.) - * - Can. J. Chem. Eng. 50, p. 743 (1972).
-
(5) - KYTE (W.S.) - * - Thèse de Ph.D., université de Cambridge (1970).
-
(6) - RUTHVEN (D.M.), LEE (L.K.), YUCEL (H.) - * - A.I.Ch.E.J., 26, p. 16 (1980).
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