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ETH Library Contribution à l'étude de l'adsorption dynamique et de la désorptio

ETH Library Contribution à l'étude de l'adsorption dynamique et de la désorption sélective d'un mélange binaire de gaz Doctoral Thesis Author(s): Kalbermatten, Joseph-Marie de Publication date: 1953 Permanent link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000089040 Rights / license: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information, please consult the Terms of use. No. Prom. 2187 Contribution à l'étude de l'adsorption dynamique et de la désorption sélective d'un mélange binaire de gaz THÈSE présentée à l'École Polytechnique Fédérale, Zurich pour l'obtention du grade de Docteur es Sciences techniques par JOSEPH-MARIE DE KALBERMATTEN de Sion (Valais) Rapporteur : Professeur Dr. A. Guyer Corapporteur : Privat-docent Dr. H. Schiitze Juris-Verlag Zurich 1953 Leer - Vide - Empty A mon père et ma femme, et à la mémoire de ma mère, de ma grande-tante et démâtante. Leer - Vide - Empty Je remercie Monsieur le professeur Dr. A. Guyer qui m'a guidé dans l'exécution de cette thèse. Ma reconnaissance va également à Monsieur le privât-docent Dr. H. J. R. Schiitze pour les conseils qu'il m'a prodigués. Leer - Vide - Empty TABLE DES MATIERES Seite I. INTRODUCTION 11 H. PARTIE THEORIQUE 13 A. Principes généraux des phénomènes d'adsorption 13 1. Notions préliminaires 13 2. Caractéristiques de l'adsorption 13 a) La capacité d'adsorption 13 b) La vitesse d'adsorption 15 3. La désorption 17 B. L'adsorption dynamique 18 1. Généralités 18 2. Notions particulières à l'adsorption dynamique 18 a) La rupture, l'efficacité et le temps de rupture 19 b) La capacité â la rupture, la capacité totale et la capacité de reste 20 c) La vitesse de migration 20 d) La zone d'adsorption " 20 e) L'isoplane, l'isobare et l'isochrone 20 3. La désorption sélective 23 C. L'adsorption de mélanges 29 El. PARTIE EXPERIMENTALE 35 A. Généralités 35 B. Adsorption et désorption dynamiques de mélanges de gaz chlorhydrique, carbonique, sulfureux et ammoniac avec de l'air 36 1. Avant-propos 36 2. Méthode de travail 36 3. Appareil 37 4. Essai avec du gaz chlorhydrique 39 5. Essai avec du gaz carbonique 46 6. Essai avec du gaz sulfureux 49 Seite 7. Essai avec du gaz ammoniac 52 8. Conclusions 56 C. Adsorption d'un mélange variable d'air avec du gaz soit ammoniac, soit carbonique 58 1. Avant-propos 58 2. Méthode de travail et appareil 58 3. Résultats des essais 59 4. Conclusions 60 D. Etude de la charge en fonction du temps d'une colonne d'adsorption par deux mélanges air-gaz ammoniac et air-gaz carbonique 68 1. Avant-propos 68 2. Méthode de travail 68 3. Appareil 69 4. Résultats des essais 71 5. Conclusions 71 E. Adsorptions dynamiques de gaz ammoniac et carbonique et désorption dynamique de ce dernier 76 1. Avant-propos 76 2. Méthode de travail et appareil 76 3. Résultats des essais 77 4. Conclusions 80 F. Adsorption d'un mélange de gaz carbonique et sulfureux et sa désorption sélective par courant d'air 82 1. Avant-propos 82 2. Méthode de travail et appareil 82 3. Essai préliminaire avec du gaz sulfureux pur 83 4. Essai avec un mélange de gaz carbonique et sulfureux 85 5. Conclusions 87 Sommaire 89 - 11 - I. INTRODUCTION L'adsorption s'est acquise une situation de choix parmi les méthodes utilisées dans l'industrie chimique. Son application devient de plus en plus variée, au fur et à mesure que la recherche livre à la technique les bases théoriques nécessaires. Déjà la récupération, au moyen de l'adsorption, de vapeurs de solvants dans l'industrie du caoutchouc, des explosifs, des co¬ lorants etc., est chose courante. Dans la seule industrie des explosifs, on a récupéré par adsorption, en 1943 aux Etats-Unis, 180 millions de litres d'alcool éthylique, repré¬ sentant une économie de 41 millions de dollars. Là, où les méthodes classiques, telles que refroidissement, liqué¬ faction par compression, sont coûteuses en raison de la masse de gaz à refroidir, â comprimer, l'adsorption est venue avantageusement les rem¬ placer. En effet, l'adsorption permet de travailler avec des mélanges, où le produit â récupérer peut se trouver à une très faible concentration, sans pour cela exiger beaucoup d'énergie. Un autre facteur important est celui de la sécurité, car on peut travailler ainsi en dehors des limites dangereuses pour des mélanges explosifs. Mais l'adsorption est également déjà utilisée pour la récupération sélective d'un composant d'un mélange. Il suffit de penser à la récupération du benzène par le charbon actif dans la fabrication du gaz d'éclairage. L'adsorption est très proche parente de la chromatographie, qui, de¬ puis que Tswett en découvrit les premiers phénomènes en 1906, jouit à l'heure actuelle d'une grande popularité dans les recherches de chimie organique. Si l'on développe le chromatogramme par lavage, on procède de façon analogue dans l'adsorption. Il est facile, après cela, de séparer les couches de l'adsorbant et de les soumettre à une désorption individuelle, afin de récupérer séparément les produits. Passer de là â un procédé con¬ tinu, n'est qu'une question pratique à résoudre. En dernier ressort, il faut citer le domaine de la catalyse hétérogène. Faraday déjà faisait de l'adsorption superficielle du gaz par le catalyseur solide, le siège des ré¬ actions aux vitesses accrues. Bien qu'à l'heure actuelle les théoriciens ne soient pas encore d'accord sur les principes qui régissent la catalyse, il faut bien admettre que ces derniers sont de nature adsorptive. - - 12 - Le présent travail étudie donc certains aspects de l'adsorption dyna¬ mique, qui seule, par opposition & l'adsorption statique, est intéressante du point de vue technique. Pour se tenir au plus près des conditions industriel¬ les, nos essais ont été faits avec des mélanges où l'air entre comme gaz porteur. D'autre part, nous n'avons pas travaillé de façon isothermique, afin d'étudier précisément l'influence de la chaleur d'adsorption. La môme sorte de charbon actif fut employée pour toutes les expé¬ riences. Ceci est la condition essentielle, si l'on veut établir des compa¬ raisons. A ce propos, il faut souligner la difficulté qu'il y a à comparer les résultats cités par la littérature, du fait de ce facteur changeant. - - 13 - II. PARTIE THEORIQUE A. Principes généraux des phénomènes d'adsorption 1. Notions préliminaires Nous voudrions d'entrée souligner la différence entre l'adsorption statique et l'adsorption dynamique. La première méthode a fait l'objet d'une multitude de recherches qui remontent au siècle dernier. Les résultats ont permis aux savants d'établir de nombreuses théories qu'il serait fastidieux de vouloir énumérer ici. Malgré la diversité des explications, il semble qu'à l'heure actuelle nous possédons une connaissance assez approfondie des phénomènes qui nous intéressent. Dans l'adsorption statique, seul l'équilibre final stable est étudié et rendu par "l'isotherme d'adsorption", c'est-â-dire la fonction exprimant le rapport entre la concentration de la phase gazeuse et de la phase adsorbée pour une température donnée. Par contre l'adsorption dynamique, en intro¬ duisant le facteur temps, complique singulièrement le problème, car nous nous trouvons en face d'un équilibre instable changeant au fur et à mesure de l'adsorption. La chaleur d'adsorption dégagée prend ici toute son im¬ portance par l'action directe qu'elle a sur la marche de l'adsorption. Il nous faut donc dans le procédé dynamique tenir compte, â côté de la "capacité d'adsorption", de la "vitesse d'adsorption", notion dont nous verrons de plus près la très grande importance au chapitre "L'adsorption dynamique". 2. Les caractéristiques de l'adsorption a) La capacité d'adsorption Si l'on veut établir une classification de la valeur de plusieurs adsor- bants, il faut comparer leurs capacités d'adsorption respectives. Elle 3 s'exprimera généralement en g, soit par 100 g, soit par 100 cm d'adsor- bant. Les principaux facteurs influents sont: - 14 - 1) les propriétés physiques de l'adsorbant, 2) les propriétés physiques du corps à adsorber, 3) la pression de ce dernier (ou sa concentration), 4) la température. Il est clair qu'une comparaison n'est valable que sous des conditions identiques, qu'il ne sera pas toujours aisé d'obtenir. Du reste, il n'est pas possible d'établir une comparaison absolue, car un adsorbant se révélera supérieur à un autre sous certaines conditions et inférieur sous d'autres. Ainsi A. Magnus & E . Teller (1) prétendent que le gel de silice a une préférence pour les corps ayant dans leur structure un pont d'oxygène, sans tenir beaucoup compte de la grandeur de la chaîne moléculaire. Par contre, le charbon actif montre vis-à-vis des paraffines une capacité d'ad- sorption croissant en fonction de leur longueur. Il faut bien ajouter qu'il y a un terme à cette capacité d'adsorption pour les molécules de C-.Q - C.2> car les pores sont alors trop étroits pour les laisser pénétrer. W.H. Hoffert(2) indique que 100 g de charbon actif adsorbent deux fois plus de benzène que 100 g de gel de silice, alors que les quantités 3 sontégales, si l'on exprime la capacité d'adsorption par 100 cm d'adsor- bant. Nous verrons plus loin qu'il y a une distinction à observer selon la méthode d'expérimentation choisie. Ainsi la méthode statique pourra don¬ ner des résultats contradictoires par rapport â la méthode dynamique. Quelques auteurs ont essayé de mettre la capacité d'adsorption en relation avec certaines dates physiques. uploads/Geographie/ eth-32293-02.pdf