Absorption Desorption G CJIMIQUE1645927828 PDF [PDF]

Zitiervorschau

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Introduction

Une colonne est une unité de séparation physico-chimique utilisée en sciences de l'ingénieur, en chimie et en biologie. Il s'agit en général d'un tube au sein duquel des échanges de matière (à la base de la séparation) et d'énergie (chaleur) s'effectuent entre une phase liquide descendante et une phase gazeuse montante1. La colonne permet de séparer un ou plusieurs composés d'un mélange. Le principe de séparation est variable et utilise différents moyens. On désigne ces unités en fonction de leur principe de séparation, ex. : •

colonne de distillation,

•

colonne de rectification

•

colonne d’absorption

•

colonne de d’extraction liquide-liquide

•

colonne de chromatographie.

Les modes de fonctionnement des colonnes peuvent être •

Continus

•

discontinus

Les colonnes de distillation sont, dans l'industrie, de différents types : • •

colonne à plateaux colonne à garniture

Dans les laboratoires, des dispositifs plus simples sont utilisés comme la colonne de Vigreux. Avant le développement des chromatographies, la colonne de distillation à bande tournante a permis la séparation de composés aux points d'ébullition proches.

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Généralités

1) Définitions : -Description de la colonne de type garnissage : Une colonne à garnissage est une unité de séparation physico-sous forme d’un tube qui est remplie d’éléments permettant d’augmenter la surface de contact entre la phase gazeuse et la phase liquide. Ce sont ces éléments qui constituent le garnissage. La colonne contient également : ➢ dans sa partie inférieure, un plateau pour supporter le garnissage et un injecteur de gaz ➢ dans sa partie supérieure, un distributeur de liquide et parfois un dévésiculeur ➢ parfois un redistributeur En considérant la façon d’alimenter la colonne en gaz et en liquide, on peut distinguer 2 types de colonnes : ➢ à co-courant : Les deux phases sont introduites en tête de colonne et descendent ensemble, en passant par le garnissage, vers la base de l’absorbeur. Cet arrangement permet à la colonne de fonctionner avec des débits plus grands, car dans cette configuration les problèmes liés à l’engorgement n’existent plus. ➢ à flux croisé : Le gaz à traiter entre par le bas de la colonne, traverse le garnissage et sort en tête de colonne. La phase gaz passant par la colonne garnie est forcée, en raison de la présence du garnissage, de changer souvent de direction d’écoulement. Ceci permet de bien mélanger les deux phases. Ce type d’écoulement

est celui qui présente l’efficacité théorique la plus importante.

Dans les colonnes à garnissage, le liquide est pulvérisé sur le garnissage placé entre des grilles Le garnissage peut être de 2 types : ➢ le garnissage en vrac ; ✓ bonne tenue dans le temps (pas de tassement) ✓ HEPT prévisible et reproductible ✓ montage et démontage du garnissage en une seule pièce ou en morceaux, en fonction du diamètre de la colonne ➢ le garnissage structuré : ✓ peu onéreux ✓ variation des performances dans le temps due au tassement ✓ entrainement possible lors d'un engorgement ✓ montage par versement gravitaire, parfois par transport pneumatique ✓ friabilité du garnissage lors du versement ✓ enlèvement difficile si nécessité d'inspection de la colonne La phase liquide qui contient l’absorbant, forme un film sur les éléments de garnissage (zone de mouillage). Le garnissage qui créé une série d’obstacles sur le parcours du liquide et du gaz au sein de la colonne permet : ➢ d’augmenter la surface de contact entre les deux phases ➢ d’augmenter le temps de séjour des deux phases dans la colonne et donc leur durée de contact ➢ de créer un régime turbulent de la phase gaz Les colonnes garnies peuvent avoir une grande efficacité. L’efficacité pour une colonne donnée, dépend d’un grand nombre de facteurs, à savoir ➢

la vitesse du gaz

➢ la solubilité du polluant dans la solution

➢ la concentration de l’absorbant dans la solution ➢ la réactivité éventuelle du gaz avec les constituants du liquide ➢ la diffusivité du polluant dans la phase gazeuse et de l’absorbant dans la phase liquide ; - la teneur en polluant de la phase gazeuse ➢ la hauteur de la colonne. Les colonnes à garnissage sont généralement utilisées pour l’absorption de gaz et de substances corrosives. Si le barbotage de la phase gaz dans le liquide provoque son moussage, Il est préférable également d’utiliser une colonne à garnissage pour : ➢ les opérations discontinues car la rétention du liquide dans ce type de colonne est faible. ➢ les transferts de matière limités par la phase gazeuse. Les colonnes garnies ne sont pas utilisées pour la séparation des particules solides, car celles-ci peuvent rester bloquer sur le garnissage et empêcher le passage des phases (cause d’engorgement).

-Capteur de température Les sondes de température (ou capteurs de température) sont des dispositifs permettant de transformer l’effet du réchauffement ou du refroidissement sur leurs composants en signal électrique. Jusqu'à l'invention du thermoscope de Galilée, les hommes étaient incapables de mesurer la température. Les thermomètres virent bientôt le jour, et avec eux les unités comme le degré Celsius et le kelvin. Par la suite, les techniques automatisées voyant le jour, il fallut trouver le moyen de traduire les températures en signaux analogiques compréhensibles par des machines. On compte deux grandes familles de sondes de température

-Thermistance : Les principaux capteurs de température utilisés en électronique sont basés sur la variation de la résistance électrique en fonction de la température. Variation (plus importante) de la résistance d'autres matières (oxydes métalliques, composites) en fonction de la température, cette variation pouvant être assez irrégulière ou soudaine, dans un domaine étroit de température.

-Thermocouple : Les thermocouples, ou couples thermoélectriques (CTE), sont, en physique, des couples de matériaux dont l'effet Seebeck, découvert en 1821 par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck, est utilisé pour la mesure de la température. Ils sont bon marché et permettent la mesure dans une grande gamme de températures. La principale limite est la précision obtenue. Il est relativement difficile d'obtenir des mesures avec une incertitude inférieure à 0,1 °C.

-Pyromètre optique : Un pyromètre est un appareil de mesure physique des hautes températures. La mesure pyrométrique est faite dans l'enceinte chauffante ou hors de l'enceinte chauffante. Les principes de fonctionnement du pyromètre sont : ➢ la radiation infrarouge émise par l'objet et reçue. ➢ des radiations visibles émises pour la mesure et la température mesurée de l'objet opaque par la capacité de réflexion des radiations de sa structure atomique. ➢ la dilatation ✓ la dilation simple (métaux). ✓ la dilatation par système bimétal ou trimétal en hélice sur le système de Breguet.

➢ la rétractation (argile -pour le système de Pyromètre de Wedgwood-). ➢ la déformation sur des étalons de mesure dans l'enceinte. ➢ la résistivité propre de l'objet de mesure (métaux). ➢ le thermocouple capteur électrique/électronique immergé dans l'objet de la mesure. ➢ la couleur vue par un opérateur hors enceinte de chauffe, ✓ prenant en référence des teintes de verre pour les pyromètres optiques de coulée (fonte coulée et recuisons). ✓ prenant en référence de couleur le fil résistif de l'appareil chauffé par le courant électrique étalonné en température.

-Capteur de pression différentiel : Est un instrument servant à mesurer une pression. Il y’a nombreux appareils pour mesurer les pressions et le degré de vide : ces instruments de mesure sont appelés tantôt capteurs de pression, tantôt sondes (pour le degré de vide). ✓ Pression absolue utilise le vide comme point de départ de l’échelle. Il est impossible d’avoir une pression négative puisque le vide est la plus basse pression possible. Le capteur étalonné avec le zéro absolu indiquera une valeur de 101325 Pa au niveau de la mer à cause de la pression atmosphérique. ✓ Afin d’éviter l’addition répétitive de 101325 Pa, les instruments de mesure ont pour origine ("zéro") la pression atmosphérique. Ils indiquent donc la pression relative et non la pression absolue.

-Débitmètre Un débitmètre est un appareil destiné à mesurer le débit d'un fluide, liquide ou gazeux. Selon le niveau du débit et la nature du fluide, le principe du débitmètre adapté est très variable : ➢ certains sont basés sur la mesure de la vitesse du fluide comme les anémomètres ; on utilisera dans ce cas un tube de Pitot, un débitmètre à turbine, pistons ou rotors, un débitmètre à ultrasons, un débitmètre ionique ou un courantomètre ; ➢ on peut également utiliser la mesure de la perte de charge (perte de pression) ou pression différentielle entre un repère amont et un repère aval, ceci à l'aide d'un organe déprimogène tel qu'une plaque à orifice, une tuyère (comme dans le cas d'un débitmètre à tube de Venturi) ou un diaphragme ; ➢ un débitmètre à flotteur, également un organe déprimogène, affiche la position d'équilibre d'un flotteur soumis à un courant dans un tube conique vertical ; ➢ un débitmètre à effet vortex mesure des variations de pression engendrées par des tourbillons de Karman ; ➢ un débitmètre électromagnétique mesure la réponse d'un fluide conducteur à un champ magnétique ; ➢ il existe aussi les débitmètres massiques : thermique ou à effet Coriolis ; ➢ un melt indexé mesure un débit massique à chaud. Un débitmètre peut être utilisé sur un réseau d’eau potable. On utilise dans ce cas un débitmètre à insertion, c'est-à-dire qu’il est directement posé dans la canalisation (comme un compteur). Le débitmètre peut

être utilisé soit pour faire de la sectorisation de réseau d’eau potable, soit pour mesurer précisément la consommation de gros abonnés (usines, hôpitaux, etc.). Dans les deux cas, la précision de mesure et les fonctionnalités du débitmètre (notamment pour la connexion avec des systèmes de télégestion) expliquent l’intérêt porté à cet outil.

-Vane : Une vanne est un dispositif destiné à contrôler (stopper ou modifier) le débit d'un fluide liquide, gazeux, pulvérulent ou multiphasique, en milieu libre (canal) ou en milieu fermé (canalisation) La matière de construction définie suivant la compatibilité des matériaux avec le fluide L'actionnement de la vanne est manuel ou motorisé. Électrique, on parle alors d'électrovanne, hydraulique ou pneumatique. Les vannes répondent à différents besoins : ➢ . Le principe d'obstacle au débit de fluide : le papillon, l'opercule, le boisseau conique, le boisseau sphérique, le trois-voies, la guillotine, etc. ➢ . La fonction : la régulation d'un débit, la purge, l'arrêt, etc.

-Pompe centrifuge Une pompe centrifuge est une machine rotative qui pompe un liquide en le forçant au travers d’une roue à aube ou d'une hélice appelée impulseur (souvent nommée improprement turbine). C’est le type de pompe industrielle le plus commun. Par l’effet de la rotation de l’impulseur, le fluide pompé est aspiré axialement dans la pompe, puis accéléré radialement, et enfin refoulé tangentiellement.

-Pompe volumétrique Une pompe volumétrique est une pompe dans laquelle une certaine quantité de fluide « emprisonnée » est forcée à se déplacer jusqu’à l’orifice de sortie. Le débit d’une pompe volumétrique est proportionnel à la vitesse d’actionnement des ses éléments mobiles et dépend très peu de la pression de refoulement (par contre, l’énergie consommée par la pompe est proportionnelle à la différence de pression entre la sortie et l’entrée de la pompe). Les pompes volumétriques sont d'une grande diversité. Dans les bases de données de brevets, elles portent le nom de « pompes à déplacement positif ».

Types de pompes volumétriques ➢ ➢ ➢ ➢

Pompes à piston Pompe à lobes Pompe péristaltique Pompe à rotor excentré

-Compresseur de gaz : Est un organe mécanique destiné à augmenter la pression d'un gaz, et donc son énergie. Il existe également des compresseurs sans aucun organe mécanique, ce sont les thermocompresseurs1, plus communément appelés éjecteurs. Pour exercer la même fonction sur un liquide, quasi incompressible, on utilise une pompe Il existe deux types de compresseur ➢ Le compresseur à vis est le système le plus utilisé par le grand public. La compression s'effectue par la rotation des deux rotors d'une vis. Le compresseur à vis est le mécanisme le plus cher du marché et le moins puissant, mais sa petite taille le rend plus pratique et plus simple d'utilisation. ➢ Le compresseur à piston comporte un moteur électrique. Celui-ci entraîne un ou plusieurs pistons dans un mouvement d'avant en arrière qui crée la compression. Très utilisé dans l'industrie, le compresseur à piston peut compresser différents gaz de manière stable. Le compresseur fonctionne grâce à un moteur électrique ou thermique, deux technologies qui n'ont pas le même fonctionnement : ➢

Un compresseur électrique reste le modèle le plus pratique, le moins onéreux et le plus simple à utiliser. Mais il doit toujours être branché sur une alimentation secteur, il ne peut donc pas être utilisé sur un chantier, par exemple.

➢

le compresseur thermique est spécifiquement destiné à un usage professionnel. Pour fonctionner, il nécessite du carburant : essence ou diesel. Il est plus cher que le compresseur électrique

2-Schéma du pilote :

3-Description détaillée procédés étudié L’absorption est un procédé de transfert de matière d’un composé présent dans une phase gazeuse vers une phase liquide par dissolution. L’opération inverse de transfert d’un gaz dissous par un gaz inerte est appelé désorption. Ces procédés sont effectués dans une colonne à garnissage entre un effluent gazeux ascendant et une solution ou un solvant descendant (fonctionnement à contre-courant). La présence de garnissage augmente la surface d’échange liquide – gaz, donc les transferts de matière. Un échangeur de chaleur en pied de colonne permet de refroidir la solution sortante (l’absorption est une réaction exothermique); en fonctionnement discontinu cet échangeur permet de vérifier l’influence de la température sur l’efficacité de l’absorption. Un mélangeur statique, situé en amont de l’introduction de gaz dans la colonne, sert à diluer le gaz à traiter avec un gaz inerte (air ou azote). Vocabulaire ➢ Absorbeurs, laveurs, colonnes d'absorption ➢ Désorbeurs, dégazeurs, colonnes de désorption ➢ Soluté ou absorbat: gaz ou vapeur que l'on doît extraire de la phase gaz par dissolution dans le liquide en absorption ➢ Diluant ou inerte: gaz peu soluble ou insoluble dans le liquide, contenant le soluté en absorption ➢ Gaz riche: alimentation gaz en absorption, sortie gaz en désorption ➢ Gaz pauvre: sortie gaz en absorption, alimentation gaz en désorption

➢ Solvant ou absorbant: alimentation liquide destinée à dissoudre le soluté en absorption Principe de l'absorption: ➢ dissoudre un soluté contenu dans un mélange gazeux, à l'aide d'un solvant liquide dans lequel le soluté est soluble ➢ absorption de nature physique (équilibres physico-chimiques) ➢ absorption de nature chimique (avec réaction, par exemple absorption du CO2 par de la soude) ➢ absorption discontinue, semi-continue (continue sur la phase gaz, et discontinue sur la phase liquide), ou continue (sur les deux phases) ➢ opération exothermique (dégagement de chaleur) ➢ favorisée par une pression élevée et une faible température Principe de la désorption: ➢ opération inverse de l'absorption, càd élimination d'un soluté dissous dans un liquide, à l'aide d'un gaz non soluble dans ce liquide ➢ opération généralement endothermique (absorption de chaleur) ➢ favorisée par une faible pression et une température élevée

3- les exemples : ➢ la séparation des mélanges de gaz, purifié alimentation en gaz de synthèse ➢ préparation solution état des produits chimiques et des produits semi-finis, les gaz nocifs de la pollution ➢ la protection de l'environnement

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Conclusion

Dans une colonne à plateaux, le transfert de matière est assuré par le barbotage de la vapeur au sein du liquide de chaque plateau pour former une véritable émulsion. Dans les colonnes garnies, le transfert s’effectue à la surface du liquide sans occlusion appréciable de bulles gazeuses. L’efficacité d’un tel dispositif est donc directement liée à la surface offerte par le film liquide.