Bibliographie & annexes
Présentation
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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
Adsorption isotherme
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1. Présentation du phénomène d’adsorption
Les analyses décrites ci-après pourront être aisément appliquées aux particules avec une distribution poreuse peu dispersée et des propriétés de transport et de transfert uniformes en leur sein. Toutefois, dans le cas des particules obtenues par agglomération de microcristallites poreuses, la dimension moyenne des macropores (de l’ordre de 1 µm) est très différente de celle des micropores (de l’ordre de 10 nm). Par suite, les diffusivités apparentes des constituants dans les deux types de pores, respectivement D M (macropores) et D m (micropores) sont très différentes. Il en est de même pour d’autres grandeurs caractéristiques des transport et transfert (perméabilité, conductivité thermique, etc.). Signalons que la dimension des macropores est suffisante pour qu’un écoulement convectif se superpose à l’écoulement diffusionnel mais, dans ce qui suit, nous le supposons négligeable dans la mesure où le gradient de pression totale sur la dimension caractéristique de la particule est généralement très faible.
L’analyse de la particule d’adsorbant doit associer, aux processus de transfert de matière et d’énergie, l’interaction étudiée, à savoir l’adsorption du constituant. Nous supposerons connues les isothermes d’adsorption des constituants étudiés (cf. dossier ). Le constituant se trouvant à la fois en phase gazeuse et en phase adsorbée, les analyses classiques supposent que le constituant en phase gazeuse et adsorbée est localement en équilibres thermique et thermodynamique. Les analyses présentées ci-après reposeront sur ces hypothèses. Signalons toutefois que, pour certaines applications, ces hypothèses ne sont pas toujours justifiées :
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le processus d’adsorption est en principe accompagné de la désorption d’un constituant. Néanmoins, contrairement au cas des résines échangeuses d’ions, ce constituant correspond au diluant (ou solvant) associé au constituant adsorbé A. Le diluant est très souvent en excès dans l’écoulement principal et, dans ces conditions, on ne tient pas compte dans l’analyse des caractéristiques de transfert du constituant désorbé...
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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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