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REACTEURS POLYPHASIQUES Module enseigné en Master GC, Master GPE et Master RP C

REACTEURS POLYPHASIQUES Module enseigné en Master GC, Master GPE et Master RP Coefficient : Nombre de crédits : Les réacteurs polyphasiques sont des réacteurs très utilisés dans les industries chimiques, pétrochimiques, pharmaceutiques. Ce cours sera consacré aux réacteurs biphasiques suivants : 1- Fluide-fluide (réacteurs gaz-liquide), 2- Fluide-solide catalytique (réacteurs catalytiques hétérogènes) et 3- Fluide-solide consommable Objectifs : illustrer comment prendre en compte tous les différents phénomènes (réaction, transfert de matière, transfert de chaleur) qui interviennent dans un modèle cinétique d’un réacteur polyphasique I- LES REACTEURS GAZ-LIQUIDE Introduction Les réactions gaz-liquide sont des opérations industrielles très importantes. Elles sont réalisées dans différents types de réacteurs comme les colonnes remplies, les colonnes à plateaux, les colonnes à bulles soit dans des procédés de purification de gaz ou des procédés de production Exemples d’application des réactions gaz-liquide : Procédés de purification de gaz - Elimination du CO2 du gaz de synthèse par éthanolamines - Elimination de H2S par NaOH Procédés de production - Oxydation d’aldéhydes per l’air pour produire de acides - Production d’acides nitrique et sulfurique Le processus consiste en la mise en contact d’une phase liquide avec le gaz. Ce gaz A se dissout dans le liquide, diffuse dans le liquide par diffusion moléculaire et réagit avec un composé B dissous dans la phase liquide pour donner un composé C. Il existe plusieurs modèles qui décrivent ce phénomène de transfert de masse avec réaction chimique. Le plus simple et le plus utilisé est le modèle est appelé théorie des deux films. Théorie des deux films Cette théorie a d’abord été appliquée pour décrire l’absorption d’un gaz par un liquide sans réaction chimique. Nous allons l’appliquer pour décrire un transfert de matière par diffusion suivi d’une réaction chimique. Au cœur de la phase gaz les molécules de gaz A sont à une pression partielle, au coeur de la phase liquide les molécules de B dissoutes qui peuvent réagir avec les molécules A pour donner un produit C. Entre le gaz et le liquide il y a une interface qui distingue entre le gaz et le liquide. La théorie des 2 films affirme : - Toute la résistance au transfert de masse est localisée dans deux films situés de part et d’autre de l’interface. Il y a un film mince coté gaz (le film gazeux) et un film mince coté liquide (film liquide) ; l’épaisseur du film gazeux est notée δg et l’épaisseur du film liquide δL. Au cœur des phases gaz et liquide les concentrations sont uniformes à cause de la turbulence. Les molécules B ne peuvent pas traverser l’interface et restent dans la phase liquide où a lieu la réaction chimique. La phase liquide est toujours la phase réactionnelle (où la réaction se passe) - L’équilibre est supposé à l’interface où la concentration de A dissout dans le liquide est une fonction de sa pression partielle dans le gaz et décrite par la loi d’Henry. Les molécules de B ne traversent pas l’interface et restent dans la phase liquide. Lorsque A se dissout dans le liquide, sa concentration dans le gaz diminue et il en résulte un gradient de concentration de A dans le film gazeux. De même la concentration de B près de l’interface est plus grande que celle au cœur de la phase liquide. La figure1 décrit le modèle des deux films décrivant une réaction gaz-liquide mettant en jeu les processus de transfert de matière par diffusion dans les deux films stagnants et la réaction chimique A+B →C dans la phase liquide. . 1-film gazeux, . 2-film liquide C cœur de la phase gaz 1 2 coeur de la phase liquide PA PAi CAi A A + B C CA X δg 0 δL Transport dans le film gazeux La vitesse de diffusion de A dans le film gazeux est décrite comme une diffusion moléculaire : Le flux de transfert de A s‘écrit : NA = kg ( PA∞ - PAi)/RT NA = flux de transfert de A dans le film gazeux (mole/unité de surface par unité de temps, par exemple mole/m2 s) kG= coefficient de transfert de matière du gaz ( kg est egal au coefficient de diffusion moléculaire de A , DA divisé par l’épaisseur du film gazeux δg ; kg = DA/ δg ) PA∞ = pression partielle de A au cœur de la phase gaz PAi = pression partielle de A à l’interface gaz-liquide R= la constante des gaz parfait T= température(K) Equilibre à l’interface L’équilibre entre la concentration de A dissout dans le liquide CAi et la concentration de A dans la phase gaz PAi. L’équilibre est exprimé par la loi d’Henry : PAi = HA CAi Où HA est la constante d’Henry (en m3Pa/mol) Transport dans la phase liquide dans le où il n’y a pas de réaction chimique Le mouvement des molécules dissoute de A sans réaction chimique à travers le film liquide stagnant peut être considérée comme étant accomplie par diffusion moléculaire : NA = kL (CAi - CA∞) Où kL est le coefficient de transport dans le liquide et CA∞ est la concentration de A en mol/L au cœur de la phase liquide. Transport dans la phase liquide avec réaction chimique Le flux de transfert s’ecrit : NA = kL E (CAi - CA∞) Où E est le facteur d’accélération défini par le rapport entre le flux de transport de A à travers le film liquide avec réaction chimique et le flux de transport de A sans réaction chimique. La valeur de E dépend de type de régime de réaction (réaction lente, réaction rapide ou réaction instantanée) uploads/Finance/ cours-1-reacteurs-polyphasiques-2021.pdf