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Réacteurs chimiques polyphasés Couplage réaction/diffusion par 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 Cet article est la mise à jour du paragraphe 6 de l’article « Réacteurs chimiques. Principes » écrit en 1980 par Jacques VILLERMAUX. 1. 1.1 1.2 Réactions catalytiques fluide-solide................................................... Transport externe et interne ....................................................................... Diffusion de matière et de chaleur à l’extérieur et à l’intérieur d’un grain de catalyseur.............................................................................. 1.2.1 Cas général.......................................................................................... J 4 012 - 3 — 3 — — 4 4 1.3 1.2.2 Réaction isotherme du 1er ordre limitée par la diffusion interne seule..................................................................................................... 1.2.3 Réaction isotherme d’ordre n limitée par la diffusion interne seule 1.2.4 Gradients de température internes et externes ............................... 1.2.5 Cas général. Modèles simplissimes.................................................. Influence des limitations diffusionnelles sur la sélectivité....................... — — — — — 4 5 6 6 6 2. 2.1 2.2 Réactions fluide-solide non catalytiques .......................................... Modèle à cœur rétrécissant ........................................................................ Modèle à cœur rétrécissant avec élimination des produits ..................... — — — 7 7 9 3. 3.1 3.2 Modèles de réacteurs catalytiques à lit fixe et à lit fluidisé........ Réacteurs à lit fixe ....................................................................................... Réacteurs à lit fluidisé ................................................................................. — — — 9 9 10 4. 4.1 4.2 Modèles de réacteurs à solide consommable.................................. Réacteurs à charge de solide non circulante............................................. Réacteurs à charge de solide circulante .................................................... — — — 10 10 12 5. Réactions fluide-fluide : cas particulier des réacteurs gaz-liquide.................................................................................................. Absorption sans réaction chimique ........................................................... Absorption avec réaction chimique ........................................................... Conséquences sur le choix des réacteurs gaz-liquide .............................. — — — — 12 12 12 14 5.1 5.2 5.3 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. J 4 013 ans 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 [J 4010] 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. D Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 4 012 − 1 RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS _____________________________________________________________________________________________________ Notations et symboles Notations et symboles Symbole Ap Bi M = k D L ⁄ D e Bi T = hL ⁄ λ e surface externe d’un grain critères de Biot Symbole Désignation t temps T température (en kelvins) (différents indices) u vitesse linéaire axiale volume du réacteur C concentration molaire volumique VR dp diamètre de un grain Vp volume d’un grain diffusivité moléculaire xj titre molaire du constituant j De diffusivité effective Xj taux de conversion du réactif j E énergie d’activation YR /A fe fraction de résistance externe $ fA = CA /CA0 fraction résiduelle z taux de produit utile R obtenu à partir de A ou rendement opératoire global abscisse axiale Fj débit molaire (ou flux) du constituant j αp coefficient de transfert de chaleur à la paroi (interne) h coefficient (ou conductance) de transfert de chaleur local (externe) βs critère de thermicité enthalpie de réaction γs critère d’activation ∆H Ha = Désignation δs = βs γs paramètre thermique (diffusion-réaction) H enthalpie H constante d’équilibre de Henry (§ 5.1) ε porosité intergranulaire critère de Hatta εp porosité intragranulaire k constante de vitesse (différents indices) η viscosité dynamique kD coefficient (ou conductance) de transfert de matière externe k 2 C BL $ A ⁄ k L L = V p /A p dimension caractéristique d’un grain Mj masse molaire du constituant j nj nombre de moles du constituant j n0 nombre de moles total des constituants actifs dans l’état de référence n ordre de réaction ND , NW Nu = hdp/λ p Pr = ηcp /λ r densité de flux de matière, de chaleur nombre de Nusselt pression nombre de Prandtl vitesse de réaction (différents indices suivant les références) ηs , ηe critères d’efficacité λ conductivité thermique (différents indices) ν coefficient stœchiométrique ρj masse volumique partielle du constituant j ρ masse volumique du mélange réactionnel ρp masse volumique apparente des grains de catalyseur τp tortuosité (grain poreux) ΦR/A , Φ R′ ⁄ A ϕ s2 , ϕ e2 , ϕ s ′ , ϕ e ′ rendement relatif global (intégral, différentiel) modules de Thiele, de Weisz Indices 0 état de référence e équilibre, fluide externe i réaction, interface 5j débit spécifique de production chimique nette du constituant j R rayon d’une particule Re = udp /ν nombre de Reynolds j constituant S12 sélectivité globale (intégrale) p paroi S ′12 sélectivité instantanée (ponctuelle, différentielle) R réacteur nombre de Sherwood s surface du solide poreux Sh = k D d p ⁄ $ Sc = ν ⁄ $ J 4 012 − 2 nombre de Schmidt Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés _____________________________________________________________________________________________________ RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS 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. Exemple d’application : un lit de catalyseur de 0,5 m3 et de porosité externe ε = 0,4 est traversé par un fluide à la vitesse en fût vide de 0,8 m/s. Les particules sont sphériques de 6 mm de diamètre. Le liquide a une masse volumique de 1 000 kg/m3 et une viscosité dynamique de 5 x 10−3 Pa · s. Il contient un constituant réactif de concentration 200 mol/m3 et de diffusivité 7 x 10−10 m2/s, qui subit à la surface des grains une réaction de décomposition très rapide. Quel est le débit maximal de transformation du réactif en présence de limitation par le transfert externe ? La surface extérieure des grains est : 6 × 0 , 5 × 0 ,6 6 ------- V ( 1 Ð ε ) = ---------------------------------------- = 300 m 2 dp 6 × 10 Ð3 Pour estimer kD , on calcule : 5 × 10 Ð3 Sc = ----------------------------------------------- = 7 140 10 3 × 7 × 10 Ð10 puis 10 3 × 0 ,006 × 0 ,8 Re = ------------------------------------------------------- = 960 5 × 10 Ð3 1 076 × 7 × 10 Ð10 d’où Sh = 1 076 et k D = ------------------------------------------------------- = 1 ,25 × 10 Ð4 m/s 0 ,006 Le débit maximal de transformation dans le lit est donc : 1.1 Transport externe et interne 1,25 x 10−4 x 0,2 x 103 x 300 = 7,5 mol/s Considérons un grain de catalyseur dans un lit fixe parcouru par un courant convectif de fluide. Les densités de flux de matière ND et de chaleur Nw entre le fluide et la surface, à travers la couche limite entourant le grain peuvent se mettre sous la forme : N D = Ð D e grad c N D = k D (ce − c s ) (1) N w = h (T e − T s ) (2) 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 kD et de chaleur h, par exemple, des formules de type Ranz et Levenspiel [38] : kD dp ------------- = Sh = 2 ,0 + 1 ,8 Re 1 ⁄ 2 Sc 1 ⁄ 3 (nombre de Sherwood) $ hd p ---------- = Nu = 2 ,0 + 1 ,8 Re 1 ⁄ 2 Pr 1 ⁄ 3 (nombre de Nusselt) λ Examinons maintenant le transfert interne. Le solide poreux est assimilé à un milieu pseudo-homogène dans lequel le transfert se fait par diffusion selon la loi de Fick, caractérisée par une diffusivité effective De : (3) ND est la densité de flux rapportée à l’unité de surface de solide poreux et c est la concentration qui régne localement dans le fluide des pores. De doit être déterminée expérimentalement. Lorsque la distribution des diamètres de pores est resserrée, De s’exprime en fonction de la diffusivité D dans le fluide des pores et de la porosité interne εp : De = εpD/τp τp est la tortuosité des pores, généralement comprise entre 2 et 7. Si le fluide est un liquide, D est simplement la diffusivité moléculaire $ du constituant considéré. Si le fluide est un gaz, deux cas se présentent suivant les valeurs relatives du libre parcours moyen , du gaz et du diamètre moyen δ des pores : RT , = --------------------------π 2 p 1 σ2 (4) ρud p ηc p η où Re = -------------- , Sc = -------- et Pr = ---------- sont respectivement les η λ ρ$ nombres de Reynolds, Schmidt et Prandtl, u la vitesse en fût vide, dp avec 1 nombre d’Avogadro, σ diamètre moyen des molécules, p pression ; si , << δ , D s’identifie à la diffusivité moléculaire $ , si , >> δ , D s’identifie à la diffusivité de Knudsen : le diamètre équivalent du grain, ρ, η, $ , λ, cp respectivement les masse volumique, viscosité dynamique, diffusivité moléculaire, conductivité thermique, capacité thermique massique du fluide. D’après l’équation (1), le flux maximal capable de traverser la couche limite externe est ND max = kD ce, en présence d’une consommation élevée au sein de la particule. 1 D K = --- δ 3 RT --------πM T = 1 ,534 δ ----- en unités SI. M avec M masse molaire du constituant gazeux. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 4 012 − 3 RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS _____________________________________________________________________________________________________ De même, le transfert de chaleur interne se fait par conduction avec une conductivité effective λe telle que : rs L 2 Le module de Thiele ϕ s2 = ------------- . De cs N W = Ð λ e grad T De cs ( Ð ∆ H ) Le critère de thermicité (Prater) β s = -------------------------------- . λe Ts Le critère d’activation γs = E/RTs . 1.2 Diffusion de matière et de chaleur à l’extérieur et à l’intérieur d’un grain de catalyseur kD L Le nombre de Biot matériel Bi M = ---------- . De hL Le nombre de Biot thermique Bi T = ------- . λe 1.2.1 Cas général Traitons, à titre d’exemple, le cas d’une réaction de décomposition catalytique d’un constituant A à la surface d’un catalyseur. Nous supposons la réaction exothermique, sans changement de volume, et le catalyseur uniformément réparti dans tout le volume du grain poreux. Pour ne pas trop compliquer les calculs, nous présentons le problème dans le cas d’un grain en forme de feuillet plan d’épaisseur 2 L. Les résultats sont qualitativement analogues pour d’autres formes (bâtonnet, cylindre, sphère...). Le réactif A se décompose à mesure qu’il pénètre par diffusion dans le grain poreux. Les équations de bilan de matière et de chaleur s’écrivent : Les valeurs de ces critères déterminent le régime de fonctionnement du grain de catalyseur et l’allure des profils de concentration et de température (figure 1). Soient r la vitesse moyenne apparente de la réaction rapportée à l’unité de volume du grain, rs la vitesse calculée dans les conditions de surface (cs, Ts) et re dans les conditions du fluide externe (ce, Te). r est observable expérimentalement et ce, Te sont mesurables dans le fluide. Nous définissons les facteurs d’efficacité ηs et ηe par les relations : r = rs ηs = re ηe d2 c D e --------- = r d z2 Voyons quelques cas particuliers intéressants. d2 T λ e ---------- = r ∆ H d z2 1.2.2 Réaction isotherme du 1er ordre limitée par la diffusion interne seule Les conditions aux limites sont, à la surface (z = 0) : dc Ð D e ------- = k D ( c e Ð c s ) , c = cs dz L’étude du système (5) où βs = 0, θ = 1, BiM = ∞ conduit à distinguer deux régimes limites : dT Ð λ e ------- = h ( T e Ð T s ) , T = Ts dz ● ϕ s2 << 1 , régime chimique, non perturbé par la diffusion : C = 1 (soit c = cs) et ηs = 1 ; toute la particule est facilement accessible au réactif ; Ces relations traduisent la continuité des flux externe et interne. Au centre de la plaquette (z = L), par raison de symétrie : ● ϕ s2 >> 1 , régime diffusionnel, entièrement limité par la diffusion : C = exp (− ϕsx) dT dc ------- = ------- = 0 dz dz et ηs = 1/ϕs Supposons la réaction d’ordre n : r = A exp (− E/RT) (6) cn A facteur préexponentiel et réduisons les variables en posant : avec ce C = c / c s , θ = T /T s , x = z / L , nous obtenons le système : d2 C 1Ðθ ---------- = ϕ s2 exp Ð γ s ------------ C n θ d x2 2 d θ 1Ðθ ---------- = Ð β s ϕ s2 exp Ð γ s ------------ C n θ d x2 dC x = 0, -------- = Bi M ( 1 Ð C e ) , C = 1 dx dθ x = 0, ------- = Bi T ( 1 Ð θ e ), θ = 1 dx dC dθ x = 1, -------- = ------- = 0 dx dx (5) La réduction a fait apparaître cinq groupements adimensionnels. J 4 012 − 4 ce cs cs Ts Ts Te Te Solide poreux Film fluide Figure 1 – Gradients externes et internes de concentration et de température (qualitatifs) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés _____________________________________________________________________________________________________ RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS Dans le cas général, on trouve ηs = th ϕs /ϕs (7) l’ordre apparent est donc napp = (n + 1)/2 et l’énergie d’activation apparente : E ED E app = --- + ------2 2 La courbe donnant ηs en fonction de ϕs est représentée sur la figure 2. 1.2.3 Réaction isotherme d’ordre n limitée par la diffusion interne seule où ED est une éventuelle énergie d’activation de diffusion (cas des tamis moléculaires). Les paramètres cinétiques apparents sont donc faussés par la limitation diffusionnelle. Même conclusion que précédemment (§ 1.2.2) concernant l’existence des deux régimes limites. Toutefois, en régime diffusionnel, l’expression de C n’est plus donnée par l’équation (6) et on trouve, pour l’efficacité limite : vitesse apparente est de la forme r = k D A p c e , on obtient le 1 2 1⁄2 η s = ------ ------------- ϕs n + 1 (8) 2 1⁄2 Il faut remarquer que le facteur correctif ------------- est voisin de 1. n + 1 Afin d’obtenir toujours la même expression pour ηs = 1/ϕs, il suffit de modifier la définition du module de Thiele, et d’écrire : ϕ s2 2 n + 1 rs L = ------------- ------------2 De cs (9) À condition de définir la dimension caractéristique L comme le rapport Vp /Ap du volume à la surface externe du grain, le traitement ci-après est valable quelle que soit la forme du grain. Les expressions rigoureuses de ηs pour d’autres formes sont, certes, différentes de l’expression (7) mais elles admettent les mêmes limites ηs = 1 pour ϕ s2 << 1 et ηs = 1/ϕs pour ϕ s2 >> 1 . La différence apparaît seulement dans la zone de raccordement de la figure 2 au voisinage de ϕs = 1. Comme on utilise surtout ces critères, en pratique, pour savoir si le grain fonctionne franchement en régime chimique ou en régime diffusionnel, la distinction est un peu académique. Si l’on rappelle que, en limitation par le transfert externe, la tableau 1, qui permet de se rendre compte expérimentalement de la présence d’une limitation par le transfert de matière et de la perturbation qu’elle entraîne. Tableau 1 – Vitesse apparente de la réaction en régime chimique et en régime de transfert Régime limitant Variation de r en fonction de dp (1) u (2) Énergie Ordre d’activation apparent apparente néant néant n E diffusion externe (1/L)α (3) u β (3) 1 ≈0 diffusion interne 1/L néant n+1 ------------2 E E D --- + ------2 2 chimique (1) dp dimension des particules ; (2) u vitesse du fluide ; (3) α, β < 1. Une conséquence pratique importante de l’équation (8) est que, en régime diffusionnel, la vitesse apparente a pour expression : L’inconvénient du module de Thiele défini par l’équation (9) est que son calcul fait appel à la vitesse vraie rs qu’on ne connaît pas avec certitude si l’on soupçonne précisément une falsification de la cinétique par la diffusion. Weisz [39] a proposé un critère modifié entièrement fondé sur des grandeurs observables : 2 kD e 1 ⁄ 2 ( n + 1 ) ⁄ 2 r = ------------- --------- cs n + 1 L2 r L2 ϕ s ′ = η s ϕ s2 = ------------De cs ηs I II III En régime chimique, ηs = 1 et ϕ s2 << 1 , donc ϕ s ′ = ϕ s2 << 1 , tandis que, en régime diffusionnel, ηsϕs = 1, donc ϕ s ′ = ϕ s >> 1 . Le régime est, là encore, déterminé par la position de ϕ s ′ par rapport à 1. 1 Exemple d’application : un réactif gazeux se décompose à raison de 8 mol/s dans un lit catalytique de 0,5 m3 (porosité externe 0,4) à 600 K sous une pression de 1 bar (105 Pa). Le lit est constitué de grains sphériques de diamètre dp = 15 mm. La diffusivité effective dans les 10–1 10–2 10–1 1 10 ϕs grains est De = 2 x 10−6 m2/s. Y-a-t-il une limitation par la diffusion interne ? Calculons le module de Thiele modifié. Pour des sphères : L = dp /6 I régime chimique : ηs = 1 II régime intermédiaire : la forme du grain intervient III régime diffusionnel : ηs = 1/ ϕs Figure 2 – Facteur d’efficacité interne dans un grain de catalyseur isotherme 8 × 225 × 10 Ð6 × 8 ,32 × 600 r L2 ϕ s ′ = --------------- = ------------------------------------------------------------------------------------------------ = 4 ,16 De cs 0 ,5 × 0 ,6 × 36 × 2 × 10 Ð6 × 10 5 Le réacteur fonctionne donc en régime de diffusion interne. Pour s’en affranchir, il faudrait utiliser des grains de diamètre nettement inférieur à 7 mm. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 4 012 − 5 RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS _____________________________________________________________________________________________________ 1.2.4 Gradients de température internes et externes En outre, il est commode de définir la fraction de résistance externe cs rL f e = ------------ = 1 Ð ----ce kD ce En comparant les deux premières équations du système (5), on obtient : Rappelons que d2 C d2 θ β s ---------- + ---------- = 0 d x2 d x2 r = rs ηs = re ηe qui s’intègre en présence de diffusion interne seule pour donner θ = 1 + βs(1 − C ). En limitation diffusionnelle interne sévère, C = 0 au centre du grain de sorte que l’écart de température maximal est : Entre toutes ces quantités existent les relations suivantes : ϕ e ′ = ϕ s ′ ( 1 Ð f e ) = f e Bi M De cs ( Ð ∆ H ) T Ð T s = β s = ------------------------------- -------------- λe Ts max T ϕe' = ϕs' (1 – fe) = fe BiM 1 1 1 "" 1 – fe f = + = + e ϕs' ϕs' ϕs' BiM ϕe' s ceci donne une signification physique au critère βs. De même, en comparant les équations (1) et (2), on trouve, compte tenu de la thermicité de la réaction fraction interne h (Te − Ts) = kD (ce − cs) ∆H En limitation par la diffusion externe, cs = 0 à la surface, de sorte que l’écart de température maximal est : kD ce ( Ð ∆ H ) T s Ð T e = ------------------------------- ----------------hT max T e e η e ϕ e2 = f e Bi M Le Goff et Zoulalian ont montré qu’on pouvait obtenir des solutions approchées du problème général en le représentant par des modèles simplissimes [20]. Ils ont obtenu les expressions suivantes : ● pour la diffusion interne : Comparons les valeurs des deux écarts maximaux : ϕs ′ < 2 ( T s Ð T e ) max kD λe ce Ð cs Bi M c e Ð c s --------------------------------- = ------------ ⋅ ----------------- = ---------- ⋅ ----------------c cs ( T Ð T s ) max De h Bi T s En utilisant des corrélations de type Sh ~ Re1/2 Sc1/3 ou Nu ~ Re1/2 Pr1/3 pour exprimer kD et h, on obtient : Bi M λe ---------- = ----------------Bi T ρc p D e Pr 2 ⁄ 3 -----Sc Compte tenu des ordres de grandeur de ces critères, on trouve pour les systèmes gaz-solide BiM /BiT ≈ 10 à 104. En conséquence, dans les situations pratiques usuelles, le gradient thermique est plutôt localisé dans la couche limite externe : Ts − Te >> T − Ts Il n’en reste pas moins que, par le jeu de l’énergie d’activation, le fait que T > Ts peut entraîner r > r s malgré l’appauvrissement en réactif au centre. On observe alors un facteur d’efficacité ηs > 1. Cette situation est rare en pratique. fraction externe ϕs ′ ϕs ′ η s = 1 Ð -------- exp δ s -------- 4 4 ϕs ′ > 2 exp ( δ s ⁄ 2 ) η s = -----------------------------ϕs ′ De cs ( Ð ∆ H ) E avec δ s = β s γ s = ------------------------------------ . λ e RT s2 ● pour la diffusion externe et interne, dans le cas isotherme : 2 ( 1 Ð fe ) 2 γ e θe fe f e >> -------------------- η = --------------------- exp ------------------- 2 + Bi M e f e Bi M 1 + θ e f e (10) 2 γ e θe fe f e Bi M exp -------------------f e << -------------------- η = 1 Ð f Ð --------------e 1 + θ f 2 + Bi M e 4 e e (11) kD ce ( Ð ∆ H ) E avec θ e = ------------------------------- et γ e = ---------- . RT e hT e Il existe des traitements mathématiques très complets de ces problèmes de couplage entre réaction et diffusion dans les catalyseurs [21] et [22]. 1.2.5 Cas général. Modèles simplissimes Généralisant les définitions précédentes, on introduit les deux modules de Thiele : rs L 2 ϕ s2 = ------------De cs re L 2 ϕ e2 = ------------De ce et les deux critères modifiés : r L2 ϕ s ′ = ------------De cs J 4 012 − 6 r L2 ϕ e ′ = ------------De ce 1.3 Influence des limitations diffusionnelles sur la sélectivité Étant donné la falsification des cinétiques apparentes par la diffusion interne, qui affecte les réactions d’une manière différente suivant leur ordre et les propriétés des constituants, la sélectivité d’une transformation chimique est perturbée en régime diffusionnel. Nous ne pouvons exposer ici le traitement mathématique de ce problème complexe. Des résultats relatifs à des réactions typiques sont rassemblés dans le tableau 2. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés _____________________________________________________________________________________________________ RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS Tableau 2 – Influence de la diffusion interne sur la sélectivité A B k1 k2 Réactions Régime chimique parallèles indépendantes : k 1 C An1 5R S RS ′ = -------- = -------------5S k 2 C Bn2 R r 1 = k 1 C An1 S r 2 = k 2 C Bn2 k1 R k2 S (1 + n ) 1 ⁄ 2 2 5R 1 + n 2 k 1 D Ae C A S RS ′ = -------- = ---------------- ⋅ ---------------------------------------5S 1 + n 1 k D C ( 1 + n1 ) 2 compétitives : r 1 = k 1 C An1 A Régime diffusionnel Be B 5R k1 S RS ′ = -------- = ----- C A( n1 Ð n2 ) 5S k2 5R k1 S RS ′ = -------- ≈ ----- C A( n1 Ð n2 ) ⁄ 2 5S k2 CR 5R Φ R′ ⁄ A = ------------- = 1 Ð α 2 ------Ð 5A CA CR 5R 1 Φ R′ ⁄ A = ------------- = ------------- Ð α ------Ð 5A 1+α CA r 2 = k 2 C An2 Réacteur agité continu Consécutives : k1 k1 A R S (1er ordre iso - T ) α= CR XA ( 1 Ð XA ) Y R ⁄ A = ---------- = -------------------------------------CA 0 1 Ð XA + α 2 XA XA ( 1 Ð XA ) 1 Y R ⁄ A = ------------- ⋅ ----------------------------------1 + α 1 Ð XA + α XA 1 Y max = -----------------------------------------------( 1 + α ) ( 1 + α1 ⁄ 2 )2 Ymax = (1 + α)−2 k2 /k1 hypothèse : DAe = DRe Réacteur piston 2 CR ( 1 Ð XA ) α Ð ( 1 Ð XA ) Y R ⁄ A = ---------- = ------------------------------------------------------CA 0 1 Ð α2 Y max = α 2α 2 ⁄ ( 1 Ð α 2 ) Pour ce qui concerne les réactions indépendantes on constate que la limitation diffusionnelle n’est favorable que lorsque le sousproduit est fabriqué avec un ordre supérieur à celui du produit recherché. Pour ce qui concerne les réactions consécutives, le freinage par diffusion est toujours préjudiciable à la sélectivité. En gros, le rapport k1/k2 du régime chimique est remplacé par k 1 ⁄ k 2 , ce qui peut entraîner des chutes de rendement de 50 %. Exemple d’application : k1/k2 = 4. On trouve, en régime chimique, un rendement opératoire maximal YR/A de 0,630 en réacteur piston et 0,444 en réacteur agité. Ces valeurs tombent respectivement à 0,333 et 0,229 en régime diffusionnel. Un traitement détaillé du problème a été donné par Wheeler [23]. ( 1 Ð XA )α Ð ( 1 Ð XA ) Y R ⁄ A = ----------------------------------------------------1 Ð α2 αα ⁄ (1 Ð α) Y max = ----------------------1+α Le solide B initialement contenu dans une particule, par exemple sphérique, est au contact du fluide A à une température et une concentration données. 2.1 Modèle à cœur rétrécissant Supposons les particules de forme sphérique, de rayon initial R0. À mesure que la réaction entre A et B progresse, un front pénètre à l’intérieur du grain et laisse derrière lui une couche de produits solides (ou « cendres ») de même densité apparente que le solide initial. La réaction est supposée isotherme. Soit XB le taux de conversion de B exprimé en masse, en moles ou en volume (ce qui revient au même dans le cas présent) : nB = nB0 (1 − XB) (12) nB et nB0 nombre de moles de B à l’instant final et à l’instant initial. XB s’exprime, en fonction du rayon, par la relation : avec 2. Réactions fluide-solide non catalytiques XB = 1 − ( R / R 0 )3 (13) R / R0 = (1 − XB)1/3 (14) d’où De nombreuses opérations industrielles mettent en jeu des réactions entre un fluide et un solide consommable : grillage des minerais, combustion du charbon, haut-fourneau, four à chaux, lavage et dissolution des cristaux... Nous donnons ci-après quelques modèles de consommation de particules. Le lecteur trouvera des traitements plus complets dans les références [7], [24], [44]. Considérons la réaction : A (fluide) + ν B (solide) → produits (solides, fluides) Exprimons la vitesse de réaction comme étant la quantité de B transformée par unité de volume de particules et par unité de temps, cette vitesse étant divisée par le coefficient stœchiométrique ν : 1 dn r = Ð ---------- ----------BνV P d t Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés (15) J 4 012 − 7 RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS _____________________________________________________________________________________________________ ■ Régime chimique où r est un rayon compris entre R et R0. Pour r = R0, C = CA (extérieur du grain) et pour r = R, C = 0 (la réaction chimique est très rapide). L’intégration de (18) fournit : Soit k la constante de vitesse de la réaction, supposée d’ordre n par rapport à A et rapportée à l’unité d’aire interfaciale du front de réaction (vitesse de surface). En régime chimique, la vitesse s’écrit : 4π R 2 kC An 3 r C = -------------------------- = ------ kC An ( 1 Ð X B ) 2 ⁄ 3 R0 ( 4 ⁄ 3 )π R 03 RR 0 F A = 4π D e C A ---------------R0 Ð R On en déduit l’expression de la vitesse : (16) R Ð R0 4π D e C A ---------------3 De CA ( 1 Ð XB )1 ⁄ 3 RR 0 r i = ----------------------------------------- = ------------------ --------------------------------------3 ( 4 ⁄ 3 )π R 0 R 02 1 Ð ( 1 Ð X B ) 1 ⁄ 3 Dans cette expression, CA est la concentration de A dans le fluide à l’extérieur. ■ Réaction chimique du 1er ordre, résistances en série En désignant, d’une part, par CAs la concentration à la surface du grain au niveau de la couche limite et, d’autre part, par CAi la concentration de A sur le front de réaction, la valeur commune de la densité de flux s’écrit : ■ Régime de transfert externe L’apport de A est limité par le transfert externe, la concentration de A est très faible à la surface du grain et la densité de flux de A en surface vaut NA = kDCA. Il vient : rD 4π R 02 k D C A 3 = ----------------------------- = ------ k D C A R0 ( 4 ⁄ 3 )π R 03 (19) C A Ð C As C As Ð C Ai C Ai N A = ----------------------- = ----------------------------- = --------R 02 R0 ( R0 Ð R ) 1 -----------------------------------------kD De R kR 2 (17) ■ Régime de diffusion interne (20) On en déduit l’expression de la vitesse : L’apport de A est limité dans la couche de produit qui s’accumule autour du cœur encore vierge. 3 CA r = ----------R0 Soit De la diffusivité effective dans les « cendres ». Faisons l’hypothèse que la diffusion s’effectue en régime quasi stationnaire. Lorsque le rayon du cœur est R, le flux de A en provenance de l’extérieur s’écrit : dC F A = 4π r 2 D e -------dr [ 1 1 R0 1 ------ + ------- ----------------------------- Ð 1 + ---------------------------------- kD De ( 1 Ð XB ) 1 ⁄ 3 k ( 1 Ð XB )2 ⁄ 3 ] Ð1 (21) ■ Cas particulier des particules plongées dans un environnement de propriétés constantes Pour obtenir XB en fonction du temps t, on écrit tout d’abord : 1 d nB Ð --- ----------- = V p ⋅ r ν dt (18) (22) Tableau 3 – Modèle à cœur rétrécissant. Consommation de particules sphériques plongées dans un environnement à propriétés constantes Particules de taille constante (couche de cendres) (1) Régime chimique t/t0 Temps total de consommation t0 R 1 Ð ------ = 1 Ð ( 1 Ð X B ) 1 ⁄ 3 R0 ρB R0 -----------------------νM B kC An R 2 R 3 1 Ð 3 ------ + 2 ------ R R0 0 ρB R0 ------------------------------6 νM B D e C A de taille décroissante (élimination des produits) Régime chimique (2) Régime de diffusion dans les cendres 1 Ð 3 ( 1 Ð YB )2 ⁄ 3 + 2 ( 1 Ð YB ) R 3 1 Ð ------ = X B R0 ρB R0 ------------------------------3 νM B k D C A (4) Régime de transfert externe (Stokes) R 2 1 Ð ------ = 1 Ð ( 1 Ð X B ) 2 ⁄ 3 R0 ρ B x A R 02 -------------------------------2 νM B D A C A (5) Régime de transfert externe (turbulent) R 3⁄2 1 Ð ----= 1 Ð ( 1 Ð XB )1 ⁄ 2 R ρ B R 03 ⁄ 2 Cte ⋅ -------------------νM B C A (3) Régime de transfert externe 0 J 4 012 − 8 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés _____________________________________________________________________________________________________ RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS Connaissant ρB et MB , respectivement la masse volumique et la masse molaire de B, on en déduit nB0 le nombre initial de moles de B : nB 0 Vp ρB = ---------------MB Pour exprimer kD , on fait appel à la corrélation de Ranz et Marshall [45] qui donne kD pour un composé de titre molaire xA : xA kD dp ρud p 1 ⁄ 2 η 1 ⁄ 2 -------------------- = 2 + 0 ,6 -------------- ----------η $A ρ $ A (23) avec À partir des définitions (12) et (13), on tire : d XB ν MB R2 d R Ð 3 ------3- -------- = ----------- = ------------ r ρB dt R0 d t (25) soit, compte tenu de (23) : 2 1 R0 ( R0 Ð R ) R0 2 ------ + ---------------------------- + ---------2- R d R De R kR kD kD ≈ R − 1/2 (31) Les relations (30) et (31) jointes à (23) permettent de calculer R et XB. Les résultats sont reportés dans le tableau 3 (cas 4 et cas 5). 3. Modèles de réacteurs catalytiques à lit fixe et à lit fluidisé 3.1 Réacteurs à lit fixe Par intégration, on obtient : t0 = t 0 D + t 0 i + t 0 c (30) Au contraire, en régime turbulent, on obtient : Lorsque toutes les résistances interviennent simultanément, et dans le cas d’une cinétique de réaction du 1er ordre, il vient : ρB R2 1 R2 R3 R t = t 0 Ð -------------------- ----------------- + ------- ------ Ð ---------- + ---νM B C A 3 k D R 0 D e 2 3 R 0 k $A k D ≈ ----------xA R (24) L’équation (24) peut être résolue pour chacun des cas limites présentés ci-dessus (régime chimique, régime diffusionnel dans les cendres ou régime de transfert externe). Les résultats sont rassemblés dans le tableau 3 (respectivement cas 1, cas 2, cas 3). ρB d t = ---------------------------νM B C A R 02 vitesse moyenne du gaz En régime de Stokes (chute libre), on a : avec comme conditions initiales XB = 0 ou R = R0 en t = 0. ρB d R 4π R 02 N A = Ð 4 π R 2 ------------ -------ν MB d t u (29) (26) Froment [25] a proposé une classification des modèles fondée sur trois critères (tableau 4). (27) Tableau 4 – Classification des modèles de réacteurs catalytiques à lit fixe avec : ρB R0 ρ B R 02 ρB R0 t 0 D = ------------------------------- ; t 0 i = ------------------------------- ; t 0 c = ----------------------3 νM B k D C A 6 νM B D e C A νM B kC A Pseudo-homogènes (PH) PH 1 = écoulement piston idéal PH 2 = PH 1 + dispersion axiale HT 1 = PH 1 + résistance externe HT 2 = HT 1 + résistance interne Bidimensionnels PH 3 = PH 1 + gradients radiaux HT 3 = HT 2 + gradients radiaux On remarquera l’additivité des trois processus linéaires placés en série. 2.2 Modèle à cœur rétrécissant avec élimination des produits ■ Uniformité de composition et de température C’est le même mécanisme mais les produits de la réaction sont éliminés de la particule au fur et à mesure de leur formation. ■ Régime chimique Le comportement est identique au cas rencontré pour des particules pour lesquelles les cendres resteraient en place. ■ Régime de transfert externe En revanche, les expressions relatives à la limitation diffusionnelle externe sont différentes ; en effet, le rayon R de la particule varie avec l’avancement de la réaction, de même que la conductance de transfert kD. D’une manière générale, la vitesse s’exprime par : rD 3 kD CA 4π R 2 k D C A = ----------------------------- = -----------------3 R ( 4 ⁄ 3 )π R Hétérogènes (HT) Unidimensionnels Les modèles pseudo-homogènes sont tels qu’on peut supposer que localement c = ce = cs et T = Te = Ts. Ceci correspond aux conditions fe < 0,05, ϕ s ′ < 0 ,1 . Lorsqu’elles ne sont pas vérifiées, on doit recourir aux modèles dits hétérogènes où les gradients de composition et de température locaux entre liquide et solide sont pris en compte : c ≠ ce ≠ cs et T ≠ Te ≠ Ts. ■ Prise en compte des gradients radiaux Dans les modèles unidimensionnels, la composition et la température sont supposées ne varier que selon l’abscisse axiale z. Dans les modèles bidimensionnels, on tient compte, de plus, des gradients macroscopiques le long de la dimension radiale r. ■ Prise en compte de la dispersion axiale et radiale Les critères de choix dépendent des valeurs de fe et ϕ s ′ . Si (28) fe < 0,05, la résistance externe est négligeable. Si ϕ s ′ < 0 ,1 , la résistance interne est négligeable. Lorsqu’on connaît la vitesse appa- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 4 012 − 9 RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS _____________________________________________________________________________________________________ r L2 rente, les calculs de fe et ϕ s ′ = ------------- = De cs Lorsqu’on connaît l’expression analytique f e Bi M --------------- sont immédiats. 1 Ð fe de la vitesse, on calcule 4.1 Réacteurs à charge de solide non circulante 2 re L ϕ e2 = ------------- puis fe grâce au système d’équations η e ϕ e2 = f e Bi M et De ce ηe = ηe(fe , BiM, γe , θe) des modèles simplissimes (équations (10) et (11)). On est alors ramené au cas précédent. Le tableau 5 rassemble les équations des principaux modèles. Deux cas de figure peuvent être envisagés : un réacteur parfaitement mélangé pour la phase homogène (réacteur de Carberry), la plupart du temps utilisé au laboratoire pour faire des mesures de cinétiques sur les particules en absence de résistance diffusionnelle externe, et le réacteur tubulaire. ■ Fluide en mélange parfait 3.2 Réacteurs à lit fluidisé Les relations (3) et (4) montrent que, pour réduire les résistances externes, il faut assurer un niveau de turbulence élevé autour des grains (accroître le nombre de Reynolds). D’autre part, pour réduire les résistances internes, il faut utiliser des grains aussi fins que possible. Ces deux conditions sont difficiles à remplir en lit fixe à moins de consentir des pertes de charge considérables. D’où l’idée de mettre en suspension le solide sur une grille dans un écoulement ascendant de façon que le frottement du fluide sur les grains équilibre leur poids : on obtient un lit fluidisé. Selon les cas, la fluidisation est relativement homogène (cas d’un solide dans un liquide) ou hétérogène (cas d’un solide dans un gaz). Il apparaît alors un bouillonnement intense de bulles moins riches en solide, entourées d’une phase plus dense. La fluidisation permet d’utiliser des catalyseurs de fine granulométrie (moins de 100 µm), avec tous les problèmes d’envolement et d’attrition que cela implique. Le lit fluidisé est remarquablement isotherme (excellent transfert de chaleur). Ses inconvénients majeurs sont le mélange intense des réactifs, qui le rend peu performant et peu sélectif (il est plus proche d’un réacteur agité que d’un réacteur piston), et les difficultés d’extrapolation à l’échelle industrielle. Les réacteurs à lit fluidisé sont connus depuis plus de quarante ans et ont donné lieu à quelques réalisations industrielles marquantes : craquage catalytique du pétrole, grillage de minerais, synthèse de l’acrylonitrile, oxychloration, combustions. Ils ont fait l’objet d’innombrables travaux académiques. Deux grandes familles de modèles se disputent la faveur des spécialistes : — les modèles du type Davidson et Harrison [26], qui reposent sur l’analyse du mouvement d’une bulle, et du transfert entre celleci et la phase dense, où a lieu la réaction ; il n’est toutefois pas toujours facile de transposer les paramètres du laboratoire aux conditions industrielles ; — les modèles du type Van Deemter, décrits par Kunii et Levenspiel [27] qui représentent le lit comme formé de deux zones [J 4 011, figure 29] : une zone bulles, contenant beaucoup de gaz, et une zone émulsion ou dense, contenant beaucoup de solide ; chaque zone peut présenter une dispersion axiale variable, suivant les modèles ; un transfert de matière a lieu entre les zones ; la réaction chimique se produit essentiellement dans la phase dense. Ces modèles phénoménologiques se prêtent bien à l’établissement de corrélations empiriques permettant l’extrapolation. Nous renvoyons le lecteur aux ouvrages spécialisés pour un traitement quantitatif [27] et [28]. 4. Modèles de réacteurs à solide consommable On ne pourra dans ce paragraphe que poser les bases de l’écriture des modèles car la résolution fait souvent appel à des méthodes numériques. J 4 012 − 10 Faisons l’hypothèse d’un solide à granulométrie unique, l’évolution de la conversion du solide est assurée par une loi cinétique qui prend en compte le rayon initial des particules R0, le taux de conversion du solide XB, et la composition de la phase fluide CA. Ainsi la composition de la phase fluide évolue selon l’équation de bilan : d CA F A 0 Ð ( 1 Ð ε ) r p V R = F A + εV R ----------dt (32) À cette équation il faut ajouter un bilan sur le solide : d XB νM B ----------- = ------------ r p ( X B , R 0 , C A ) ρB dt (33) La résolution de ce système d’équations permet, en partant de conditions initiales (CA = CA0, et XB = 0), de calculer les évolutions de CA et de XB en fonction du temps. Un cas limite intéressant est obtenu lorsque la réaction de consommation de A est très rapide, c’est-à-dire que FA = 0. Dans ce cas, on peut négliger le terme d’accumulation de A, et les équations deviennent : FA 0 Ð ( 1 Ð ε ) r p VR = 0 (34) d XB νM B F A 0 ----------- = ----------------------dt ρB ( 1 Ð ε ) (35) avec Si FA0 est constant, XB augmente linéairement en fonction du temps. ■ Fluide en écoulement piston En partant des hypothèses suivantes : comportement hydrodynamique du fluide en écoulement piston, fonctionnement en régime isotherme (absence d’effets thermiques), on écrit des bilans locaux : ∂ XB νM B ---------- = ------------ r p ( X B , R 0 , C A ) ρB ∂t (36) ∂ FA ∂ CA ---------- + ε ---------- + ( 1 Ð ε ) r p = 0 ∂ VR ∂t (37) Ce système d’équations doit être assorti de conditions initiales et aux limites : t = 0, XB = 0 pour toutes valeurs de VR VR = 0, FA = FA0 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés _____________________________________________________________________________________________________ RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS Tableau 5 – Modèles de réacteurs catalytiques à lit fixe (réaction A → produits) Type Pseudo-homogènes fe < 0,05 ; ϕ s ′ < 0 ,1 Hétérogènes fe > 0,05 Type Fluide PH 1 d ( uC e ) --------------------- + ρ a r w = 0 dz d Te 4U ρuc p ---------- + ρ a r w ∆ H + -------- ( T e Ð T p ) = 0 dt dz • z = 0 : C e = C 0 , T e = T 0 , u = u0 Solide a kD (Ce − Cs) = ρa rws = ηe ρa rwe a h (Ts − Te) = (− ∆H ) ρa rws = (− ∆H ) ηe ρa rwe HT 1 ϕ s ′ < 0 ,1 d 2 Ce d ( uC e ) --------------------- + ρ a r w = εD A ------------dz d z2 d Te 4U ρuc p ---------- + ρ a r w ∆ H + -------- ( T e Ð T p ) dz dt d ( uC e ) ------------------- + ak D ( C e Ð C s ) = 0 dz d Te 4U ρc p u ---------- = ah ( T s Ð T e ) Ð -------- ( T e Ð T p ) dz dt d 2 Te = λ A ------------- HT 2 • z = 0 : C e = C 0 , Te = T0 d z2 ϕ s ′ > 0 ,1 PH 2 d Ce • z = 0 : u ( C 0 Ð C e ) = Ð ε D A ---------dz d Te ρuc p ( T 0 Ð T e ) = Ð λ A ---------dz d Te d Ce • z = L : ---------- = ---------- = 0 dz dz ∂ ( uC e ) ∂2 Ce 1 ∂ Ce --------------------- = εD R ------------ + --- ---------r ∂r ∂z ∂ r2 2 ∂ ( uC e ) ∂ C e 1 ∂ C e ------------------- + ρ a r w = εD R -----------+ --- ---------- r ∂r ∂z ∂ r2 PH 3 2 ∂ Te ∂ T e 1 ∂ T e ρuc p --------- + ρ a r w ∆ H = λ R ----------- --------2- + -∂z r ∂ r ∂r • z = 0 : C e = C 0 , Te = T0 ∂ Te ∂ Ce • r = 0 : ---------- = --------- = 0 ∂r ∂r dt ∂ Ce r = ----- : ---------- = 0 , 2 ∂r αp ∂ Te --------- = Ð ------ ( T e Ð T p ) λR ∂r dt 1 1 ---- = ------ + ---------U αp 8 λR a Ce, Cs cp dt DA, DR h, kD L = Vp/Ap r rw Te, Tp , Ts u U F S αp , α p , α p ε ηe F S λA, λR, λ R , λ R ρ ρa = ρ p (1 − ε) Ð ak D ( C e Ð C s ) HT 3 ϕ s ′ > 0 ,1 ∂ Te ∂ 2 Te 1 ∂ Te ρc p u --------- = λ RF ------------ + --- --------∂z r ∂r ∂ r2 + ah ( T s Ð T e ) d2 C D e ----------2 = ρ a r w dx d2 T λ e ---------2- = ρ a r w ( Ð ∆ H ) dx dC • x = 0 : k D ( C s Ð C e ) = D e -------dx dT h ( T s Ð T e ) = λ e ------dx dC dT • x = L : -------- = ------- = 0 dx dx (modèle du feuillet plan) a kD (Ce − Cs) = ηe ρ0 rwe ah ( T s Ð T e ) 2 ∂ T s 1 ∂ T s = η e ρ a r we ( Ð ∆ H ) + λ RS ------------ + --- --------- r ∂r ∂ r2 • z = 0 : C e = C 0 , Te = T0 • quel que soit z : ∂ Te ∂ Ts ∂ Ce r = 0 : ---------- = --------- = --------- = 0 ∂r ∂r ∂r α pF α pS dt ∂ Ce ∂ Te ∂ Ts r = ----- : ---------- = 0 , --------- = Ð ------- ( T e Ð T p ) , --------- = Ð ------- ( T s Ð T p ) 2 ∂r ∂r ∂r λ RF λ RS surface externe des grains/volume total du lit concentrations du réactif au sein du fluide, du solide capacité thermique massique du fluide diamètre du tube coefficient de dispersion axiale, radiale coefficients de transfert de chaleur, de matière externes dimension caractéristique du grain distance radiale vitesse de réaction rapportée à l’unité de masse de solide températures du fluide, de la paroi, du solide vitesse du fluide en fût vide coefficient de transfert de chaleur global fluide-paroi coefficients de transfert de chaleur local à la paroi, entre la paroi et le fluide, entre la paroi et le solide porosité externe du garnissage efficacité externe conductivités thermiques, axiale, radiale, radiale dans le fluide, radiale dans le solide masse volumique du fluide masse volumique apparente du garnissage Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 4 012 − 11 RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS _____________________________________________________________________________________________________ Suivant la rapidité de la réaction, le réacteur aura des comportements très différents. Si la réaction est très rapide, on observe un front de réaction qui avance proportionnellement au débit molaire de A : FA0 (effet « cigarette »). Gaz Liquide CG CGi Si au contraire la réaction est très lente, la conversion sera homogène et identique en tout point du volume du réacteur et la conversion en sortie du réacteur (courbe de perçage) sera linéaire en fonction du temps. CLi CL Enfin, pour une vitesse de réaction modérée, la courbe de perçage aura en sortie la forme classique d’une courbe en sigmoïde. Pour les cas de figure présentés ci-dessus, l’hypothèse majeure prise en compte est l’isothermicité de la réaction. Dans la réalité, les réactions gaz-solide sont souvent exothermiques, de sorte qu’il est nécessaire d’assortir les équations de bilan de matière d’une équation de bilan thermique et, suivant la thermicité de la réaction, on se satisfera d’un bilan sur une ou deux dimensions. Pour être complet, la prise en compte des pertes de charges s’avère indispensable, cette mise en équations aboutissant à un système d’équations différentielles couplées qui sera résolu numériquement ; en d’autres termes, si ce type de réacteur est de conception simple et est souvent utilisé au laboratoire pour réaliser des tests, l’interprétation des résultats obtenus peut se révéler parfois être très délicate. CAi CA CBL CAL CB δ Figure 3 – Absorption et réaction chimique. Modèle des deux films des ouvrages entiers leur sont consacrés [29]. Nous nous bornons ici à quelques indications générales et simplifiées. 5.1 Absorption sans réaction chimique 4.2 Réacteurs à charge de solide circulante Supposons qu’un constituant présent dans la phase gazeuse s’absorbe dans le liquide, et représentons les profils de concentration dans les deux phases au voisinage de l’interface (figure 3). La plupart des modèles qui sont proposés font appel au lot d’hypothèses suivant : La composition de la phase fluide est constante dans tout le réacteur. On utilise, par analogie avec des phases fluides homogènes la notion de distribution des temps de séjour qui suppose une très bonne interactivité entre le fluide et le solide. Ainsi, en prenant en compte la distribution des temps de séjour du solide E(t), on obtient de manière analogue à ce qui est développé en [J 4 011, équation (99)] : t0 fB = ∫f B ( t ) E ( t ) dt (38) Dans la théorie des deux films (Whitman [40]), on suppose que le transfert est réglé par la résistance dans un film gazeux et dans un film liquide placés en série de part et d’autre de l’interface, où l’on postule l’équilibre thermodynamique. La densité de flux de transfert s’écrit : C G Ð C Gi C Li Ð C L HC Li Ð HC L C G Ð HC L N = ----------------------- = --------------------- = ------------------------------ = ------------------------H ⁄ kL 1 ⁄ kG 1 ⁄ kL 1 ⁄ k GL Les indices ont la signification suivante : G = gaz, L = liquide, i = interface, GL = global. H est la constante d’équilibre de Henry. D’après ces équations, la conductance de transfert globale kGL s’exprime, en fonction des conductances des films gazeux et liquide, par l’additivité des résistances : 0 Ce calcul est effectué pour une population de grains de dimension identique, mais dans la pratique, on est souvent en présence d’une population de grains avec une répartition granulométrique ; dans ce cas, il faut effectuer une double moyennation. On calcule déjà fB pour la dimension (R0) puis on pondère par la distribution des tailles W(R0). R 0max fB = ∑ f B ( R0 ) W ( R0 ) (39) R 0min 5. Réactions fluide-fluide : cas particulier des réacteurs gaz-liquide Les réacteurs gaz-liquide sont des dispositifs très utilisés dans des industries variées : hydrogénations, oxydations, chlorations, fermentations, lutte contre la pollution, etc. Ils font l’objet de nombreuses recherches, et mériteraient un traitement particulier, puisque J 4 012 − 12 1/kGL = 1/kG + H/kL Si a désigne l’aire interfaciale par unité de volume de dispersion gaz-liquide, le flux absorbé par unité de volume est : aN = a kGL (CG − HCL) Lorsque H est élevé (faible solubilité, exemple O2/eau), la résistance est localisée dans le film liquide. Au contraire, lorsque H est faible (forte solubilité, exemple NH3/eau), la résistance peut être localisée dans le film gazeux. Une revue très complète sur les aires interfaciales et les coefficients de transfert gaz-liquide a été donnée par Laurent et Charpentier [30] et [31]. 5.2 Absorption avec réaction chimique Supposons maintenant que le constituant gazeux absorbable A soit susceptible de réagir chimiquement après dissolution sur un constituant B présent dans le liquide : A + νB k produits Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés _____________________________________________________________________________________________________ RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS Plaçons-nous dans le cadre de la théorie des deux films (figure 3) et supposons la réaction du second ordre. L’évolution des concentrations dans le liquide près de l’interface est solution du système : A $ A -------------- = kC A C B d x2 d 2 CB $ B -------------- = νkC A C B d x2 EA d2 C 103 (40) ∞ pseudo premier ordre 102 C $ 100 = BL B νCAL$A 10 10 2 avec les conditions aux limites : x = 0 : C A = C Ai x = δ : C B = C BL avec d CB , ----------- = 0 dx d CA , Ð a $ A ----------- = kC AL C BL ( ε L Ð a δ ) dx εLkL (41) = 104 102 10 –1 I diffusivités de A et B dans le film, CAL, CBL concentrations au sein du liquide, εL rétention liquide (volume de liquide/volume de réacteur), 102 103 (kCBL$A)1/2 Ha = kL II CBL Il n’existe pas de solution analytique générale au système (40) et (41). Deux cas particuliers limites sont intéressants : a) Le transfert de A à travers le film liquide est déterminant et CAL ≈ 0 ; la densité de flux à l’interface est alors : III CBL CBL CAL épaisseur du film. CAL CAL I réaction lente II réaction modérée III réaction rapide dans le film (42) b) Le phénomène limitatif est la compétition réaction-diffusion au sein du liquide. Supposons de plus que CB ≈ CBL (réaction du pseudo-premier ordre k1 = kCBL). d 2 CA $ A -------------- = k 1 C A s’intègre pour donner : d x2 C A = C Ai exp ( Ð k 1 ⁄ $ A x ) et la densité de flux à l’interface est : ND = 10 10 –1 Rappelons que le coefficient de transfert est tel que k L = $ A ⁄ δ . NT = kLCAi 1 10 –2 $A , $B δ a $A 10 –3 10 –2 k 1 $ A C Ai Faisons le rapport de ces deux flux, nous obtenons le critère de Hatta : k1 $A kC BL $ A ND Ha = -------- = ------------------ = -------------------------NT kL kL Lorsque Ha est petit, cela signifie que les possibilités de transfert du film sont grandes devant la consommation chimique et il n’y a pratiquement pas de gradient de concentration à l’interface. On est en régime chimique. Au contraire, lorsque Ha est grand, le débit de consommation peut être beaucoup plus grand que ce que peut transférer le film : on est en régime de transfert et la réaction a lieu uniquement dans le film. Dans le cas général, on écrit la solution du système (40) et (41) sous la forme d’une vitesse de réaction apparente par unité de volume de réacteur : rR = a N = kL a CAi EA On garde le formalisme (42) du régime de transfert et on le corrige par un facteur d’accélération EA qui traduit en quelque sorte l’effet de pompage de la réaction chimique derrière le film. EA est essentiellement fonction du critère de Hatta. La figure 4 représente graphiquement cette fonction (diagramme de Van Krevelen-Hoftyzer). Figure 4 – Différents régimes de réactions gaz-liquide suivant la valeur du critère de Hatta. Diagramme de Van Krevelen-Hoftyzer On distingue principalement trois régimes de fonctionnement. Type I : Ha < 0,02, 0 < EA < 1. Réaction lente. L’aire interfaciale a n’est pas un paramètre critique. Par contre, le réacteur doit présenter une rétention liquide εL importante car la réaction a lieu dans tout le volume liquide : rR ≈ εL k CAi CBL Type II : 0,02 < Ha < 2, EA ≈ 1. Réaction et transfert sont compétitifs. a et εL doivent être grands tous les deux. Dans cette zone, la mesure de rR = kL a CAi donne accès au groupement kLa. Type III : Ha > 2, EA > 1. Réaction très rapide. εL n’est pas un paramètre important ; par contre, il faut une aire interfaciale a très élevée. En régime de réaction de pseudo-premier ordre EA ≈ Ha, de sorte que la mesure de r R = aC Ai k 2 C BL $ A donne accès à l’aire interfaciale à condition de connaître k et $ A (méthode chimique). Remarquons que le régime hydrodynamique n’intervient pas, de sorte que k $ A peut être mesuré indépendam- ment dans un réacteur de laboratoire. À la limite, lorsque Ha → ∞, la réaction se fait dans une zone extrêmement mince parallèle à la surface. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 4 012 − 13 RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS _____________________________________________________________________________________________________ 5.3 Conséquences sur le choix des réacteurs gaz-liquide En vertu de la discussion du paragraphe précédent, il est clair que la colonne à bulles est bien adaptée au type I (réaction lente), la cuve agitée au type II (régime intermédiaire) et la colonne à garnissage au type III (réaction rapide). De nombreux dispositifs sont utilisés pour promouvoir le contact gaz-liquide. Citons la colonne à gouttes (pulvérisation de gouttelettes dans le gaz), la colonne à film tombant, la colonne à garnissage, inerte ou catalytique (réacteur à ruissellement), la colonne à bulles (dispersion de bulles à contre-courant du liquide), la colonne à plateaux perforés, la cuve agitée mécaniquement avec dispersion de bulles à la base, le jet immergé, le laveur Venturi, etc. [30] et [31]. Tous ces dispositifs ne présentent pas les mêmes valeurs de a et εL (tableau 6). Tableau 6 – Aires spécifiques d’interface et taux de rétention du liquide dans quelques types de réacteurs gaz-liquide sont compris dans la gamme 5 x 10−5 à 5 x 10−4 m/s (corrélations), quel type de contacteur faut-il recommander ? Calculons le critère de Hatta kC BL $ A = a (m2/m3) εL εL/(aδ) Colonne à gouttes .......... 60 0,05 2 à 10 Colonne à garnissage .... 220 0,08 10 à 100 Colonne à bulles ............. 20 0,98 4 000 à 10 000 Colonne à plateaux ........ 150 0,15 40 à 100 Cuve agitée ..................... 200 0,90 150 à 800 J 4 012 − 14 Exemple d’application : on veut absorber un gaz réactif A dans un liquide contenant un excès de réactif B (concentration 2 mol/L). La réaction en solution est bimoléculaire de constante k = 0,8 m3 · mol−1 · s−1. La diffusivité de A dissous est estimée à $A = 8 x 10−10 m2/s. Sachant que les coefficients de transfert kL dans les réacteurs usuels 0 ,8 × 2 × 10 3 × 8 × 10 Ð10 = 1 ,13 × 10 Ð3 d’où 2,26 < Ha < 22,6 On est en régime de type III, on peut donc recommander une colonne à garnissage. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés