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Date de publication : 10 décembre 2000 Pour toute question : Service Relation c

Date de publication : 10 décembre 2000 Pour toute question : Service Relation clientèle Techniques de l’Ingénieur Immeuble Pleyad 1 39, boulevard Ornano 93288 Saint-Denis Cedex Par mail : infos.clients@teching.com Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 Réf. : J4012 V1 Réacteurs chimiques polyphasés - Couplage réaction/diffusion Cet article est issu de : Procédés chimie - bio - agro | Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique par Jean-Léon HOUZELOT Document téléchargé le : 16/02/2021 Pour le compte : 7200092269 - cerist // ibtissam BOUSSOUF // 193.194.76.5 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés 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 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. ans cette dernière partie consacrée aux réacteurs chimiques, nous exami- nons l’inﬂuence de la cinétique physique (transfert de matière et de cha- leur) 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 trans- port. Celui-ci intervient notamment pour modiﬁer l’expression de la vitesse apparente de la réaction qui ﬁgure dans les équations caractéristiques des réac- teurs. 1. Réactions catalytiques ﬂuide-solide................................................... J 4 012 - 3 1.1 Transport externe et interne ....................................................................... — 3 1.2 Diffusion de matière et de chaleur à l’extérieur et à l’intérieur d’un grain de catalyseur.............................................................................. — 4 1.2.1 Cas général.......................................................................................... — 4 1.2.2 Réaction isotherme du 1er ordre limitée par la diffusion interne seule..................................................................................................... — 4 1.2.3 Réaction isotherme d’ordre n limitée par la diffusion interne seule — 5 1.2.4 Gradients de température internes et externes ............................... — 6 1.2.5 Cas général. Modèles simplissimes.................................................. — 6 1.3 Inﬂuence des limitations diffusionnelles sur la sélectivité....................... — 6 2. Réactions ﬂuide-solide non catalytiques .......................................... — 7 2.1 Modèle à cœur rétrécissant ........................................................................ — 7 2.2 Modèle à cœur rétrécissant avec élimination des produits..................... — 9 3. Modèles de réacteurs catalytiques à lit ﬁxe et à lit ﬂuidisé........ — 9 3.1 Réacteurs à lit ﬁxe ....................................................................................... — 9 3.2 Réacteurs à lit ﬂuidisé ................................................................................. — 10 4. Modèles de réacteurs à solide consommable.................................. — 10 4.1 Réacteurs à charge de solide non circulante............................................. — 10 4.2 Réacteurs à charge de solide circulante .................................................... — 12 5. Réactions ﬂuide-ﬂuide : cas particulier des réacteurs gaz-liquide.................................................................................................. — 12 5.1 Absorption sans réaction chimique ........................................................... — 12 5.2 Absorption avec réaction chimique ........................................................... — 12 5.3 Conséquences sur le choix des réacteurs gaz-liquide.............................. — 14 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. J 4 013 D Parution : décembre 2000 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200092269 - cerist // ibtissam BOUSSOUF // 193.194.76.5 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200092269 - cerist // ibtissam BOUSSOUF // 193.194.76.5 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200092269 - cerist // ibtissam BOUSSOUF // 193.194.76.5 tiwekacontentpdf_j4012 v1 RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS _____________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. J 4 012 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés Notations et symboles Symbole Désignation Ap surface externe d’un grain critères de Biot C concentration molaire volumique dp diamètre de un grain diffusivité moléculaire De diffusivité effective E énergie d’activation fe fraction de résistance externe fA = CA/CA0 fraction résiduelle Fj débit molaire (ou flux) du constituant j h coefficient (ou conductance) de transfert de chaleur local (externe) ∆H enthalpie de réaction H enthalpie H constante d’équilibre de Henry (§ 5.1) critère de Hatta k constante de vitesse (différents indices) kD coefficient (ou conductance) de transfert de matière externe L = Vp/Ap 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 densité de flux de matière, de chaleur Nu = hdp/λ nombre de Nusselt p pression Pr = ηcp/λ nombre de Prandtl r vitesse de réaction (différents indices suivant les références) débit spécifique de production chimique nette du constituant j R rayon d’une particule Re = udp/ν nombre de Reynolds S12 sélectivité globale (intégrale) sélectivité instantanée (ponctuelle, différen- tielle) nombre de Sherwood nombre de Schmidt BiM kDL De ⁄ = BiT hL λe ⁄ =    $ Ha k2CBL$A kL ⁄ = 5j S 12 ′ Sh kDdp $ ⁄ = Sc ν $ ⁄ = Notations et symboles Symbole Désignation t temps T température (en kelvins) (différents indices) u vitesse linéaire axiale VR volume du réacteur Vp volume d’un grain xj titre molaire du constituant j Xj taux de conversion du réactif j YR/A taux de produit utile R obtenu à partir de A ou rendement opératoire global z abscisse axiale αp coefficient de transfert de chaleur à la paroi (interne) βs critère de thermicité γs critère d’activation δs = βsγs paramètre thermique (diffusion-réaction) ε porosité intergranulaire εp porosité intragranulaire η viscosité dynamique 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, rendement relatif global (intégral, différen- tiel) , , , modules de Thiele, de Weisz Indices 0 état de référence e équilibre, fluide externe i réaction, interface j constituant p paroi R réacteur s surface du solide poreux ΦR A ⁄ ′ ϕs 2 ϕe 2 ϕs′ ϕe′ Parution : décembre 2000 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200092269 - cerist // ibtissam BOUSSOUF // 193.194.76.5 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200092269 - cerist // ibtissam BOUSSOUF // 193.194.76.5 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200092269 - cerist // ibtissam BOUSSOUF // 193.194.76.5 tiwekacontentpdf_j4012 v1 _____________________________________________________________________________________________________ RÉACTEURS CHIMIQUES POLYPHASÉS 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 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 tra- vers 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 simultané- ment 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 pré- sent 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. 1.1 Transport externe et interne 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 : ND = kD (ce − cs) (1) Nw = h (Te − Ts) (2) L ’indice e caractérise le ﬂuide extérieur baignant le grain et l’indice s caractérise les valeurs à la surface. Les ouvrages de cinéti- que physique proposent des corrélations adaptées à chaque cas pour prévoir les conductances de transfert de matière kD et de cha- leur h, par exemple, des formules de type Ranz et Levenspiel [38] : (nombre de Sherwood) (3) (nombre de Nusselt) (4) où , et sont respectivement les nombres de Reynolds, Schmidt et Prandtl, u la vitesse en fût vide, dp 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 consom- mation élevée au sein de la particule. 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 : ND est la densité de ﬂux rapportée à l’unité de surface de solide poreux et c est la concentration qui régne localement uploads/Finance/ reacteurs-chimiques-polyphases-couplage-reaction-diffusion.pdf