Les interactions chimiques « consommables » sont toutes celles où une réaction chimique met en œuvre une phase solide qui se transforme en phase fluide et/ou en une autre phase solide. Elles sont nombreuses au niveau industriel : régénérations des catalyseurs solides, dissolution réactive d’un solide, etc. Au niveau de la particule solide, deux grandes familles permettent de modéliser l’interaction consommable : les modèles à volume réactionnel et à propriétés de transfert constants, et ceux à volume réactionnel et/ou à propriétés de transfert variables.
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Consumable” chemical interactions are all those in which a chemical reaction effects a solid phase that transforms into fluid phase and/or another solid phase. There are several at the industrial level, such as regeneration of solid catalysts and reactive dissolution of a solid. At the solid-particle level, two large families are used for modeling the consumable interaction: reaction-volume and constant-transfer-properties models, and reaction-volume and/or varying-transfer-properties models.
Auteur(s)
André ZOULALIAN
: Professeur à l’université Henri-Poincaré (Nancy II) - Docteur ès sciences - Docteur-ingénieur ENSIC (École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy)
INTRODUCTION
Les interactions chimiques dites « consommables » concernent toutes celles où une réaction chimique met en œuvre une phase solide qui se transforme en phase fluide et/ou en une autre phase solide. Elles sont nombreuses au niveau industriel. On peut citer les régénérations des catalyseurs solides, la dissolution réactive d’un solide, les nombreuses opérations de transformations des industries minérales et sidérurgiques.
Au niveau de la particule solide, l’interaction consommable ne peut pas être analysée par un seul modèle. On trouve, dans des ouvrages généraux, plusieurs types de modèles adaptés aux interactions, mais ces modèles peuvent être rassemblés en deux grandes familles, à savoir :
la famille de modèles à volume réactionnel et à propriétés de transfert constants ;
la famille de modèles à volume réactionnel et/ou à propriétés de transfert variables.
Pour la première famille, la modélisation de l’évolution de la particule est représentative des grandeurs réelles et une métrologie fine peut permettre de valider les profils de température et composition observés au sein de la particule.
Pour la deuxième famille, l’objectif de la modélisation est de représenter au mieux l’évolution macroscopique de la particule. Les simplifications sous-jacentes des modèles ne permettent pas généralement de représenter au mieux les profils de composition et de température au sein de la particule. En revanche, le taux de transformation du réactif solide est bien estimé.
Dans ce dossier, nous allons présenter les analyses relatives à ces deux familles.
À l’issue de la description des modèles, nous appliquerons l’un des modèles à la combustion d’une particule de charbon.
Nota :
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 et en langue française sur lesquels s’appuient les exposés.
Ce dossier est le quatrième fascicule d’une série sur les particules poreuses. Le lecteur devra donc se reporter, lorsqu’il le jugera nécessaire, à :
3. Cas où le volume réactionnel et/ou les propriétés de transfert sont variables
Le but de ces modèles n’est pas de représenter de manière précise les profils de composition et de température au sein de la particule en transformation mais de préciser au mieux le taux de transformation de la phase solide consommable et les variations de ce taux de transformation en fonction des conditions opératoires externes.
Nous allons décrire dans ce qui suit trois types particuliers de transformations consommables appartenant à cette deuxième famille qui globalisent l’ensemble des transformations consommables de cette famille, à savoir :
la transformation consommable de la phase solide réactive conduit uniquement à un ou à des produits gazeux ;
la transformation consommable de la phase solide réactive conduit à un produit gazeux et à un produit solide mais on n’observe pas de variation des dimensions de la particule au cours de la transformation ;
la transformation consommable de la phase solide réactive conduit à un produit gazeux et à un produit solide mais la dimension globale des particules varie au cours de la transformation.
3.1 Cas où la transformation du solide réactif ne conduit qu’à des produits gazeux
Un exemple typique est la combustion totale d’un combustible solide.
La particule réactive sera représentée par un modèle pseudo- homogène, par exemple le feuillet, et à l’instant t la particule a une demi-dimension caractéristique
inférieure à la valeur initiale
. De plus, à chaque instant, la concentration du réactif solide dans le volume résiduel reste égale à la valeur initiale ρB0 . Rappelons que l’objectif essentiel de la modélisation est de représenter au mieux, pour les conditions opératoires externes fixées, les variations de
en fonction du temps.
Bilan de matière à l’instant t
Pour la phase réactive gazeuse A :
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(1) -
BEWS (I.M.), HAYHURST (A.N.), RICHARDSON (S.M.), TAYLOR (S.G.) -
The order, Arrhenius parameters, and mechanism of the reaction between gaseous oxygen and solid carbon.
-
Combustion and Flame, 124, p. 231-245 (2001).
(2) -
SATTERFIELD (C.N.) -
Mass transfer in heterogeneous catalysis.
-
Cambridge, MIT Press (1970).
(3) -
FROMENT (G.F.), BISCHOFF (K.B.) -
Chemical reactor – Analysis and design.
-
John Wiley, New York (1972).
(4) -
LEVENSPIEL (O.) -
The chemical reactor omnibook.
-
Corvalis. OSU Book Stores Inc. (1984).
(5) -
VILLERMAUX (J.) -
Génie de la réaction chimique. Conception et fonctionnement des réactions.
-
Paris Technique et Documentation (Lavoisier) (1985).
(6) -
SCHWEICH (D.) coord -
Génie de la réaction chimique.
-
Londres, Paris, New York Technique et Documentation...
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Bibliographie & annexes
En anglais
Étude de deux cas particuliers d’interactions consommables
inférieure à la valeur initiale
. De plus, à chaque instant, la concentration du réactif solide dans le volume résiduel reste égale à la valeur initiale ρ B0 . Rappelons que l’objectif essentiel de la modélisation est de représenter au mieux, pour les conditions opératoires externes fixées, les variations de
en fonction du temps.
