Déterminations par voies physique et chimique de la diffusivité apparente de supports et catalyseurs poreux

Determination under reactive and non-reactive conditions of effective diffusivity of porous supports and catalysts

• Auteur / Autrice : Shan Cheng
• Direction : André Zoulalian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés industriels
• Date : Soutenance en 1986
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Convection

Écoulement en milieux poreux

Diffusivité thermique

Supports de catalyseurs

Catalyseurs

Mots clés libres

Détermination par voie physique et chimique

Résumé

La diffusivité apparente d’un certain nombre de supports et catalyseurs poreux est déterminée, par voie physique en régime dynamique et par voie chimique en régime dynamique ou stationnaire, dans des systèmes ouverts mettant en œuvre un lit fixe de faible diamètre et de grande longueur du type « single pellet string reactor ». La diffusivité apparente est atteinte par identification de grandeurs expérimentales (fonctions de transferts, moments, …) et théoriques, ces dernières étant obtenues par modélisation adéquate de la zone d’étude. Pour l’ensemble des supports et catalyseurs étudiés, la diffusivité apparente mesurée, quelle que soit la méthode utilisée, augmente en fonction du débit de gaz vecteur, mettant en évidence l’existence d’un flux convectif interne au sein des particules poreuses. La comparaison des valeurs mesurées avec celles déduites des modèles théoriques indique que la connaissance de la distribution des diamètres de pores, acquise à l’aide de la courbe de pénétration du mercure, n’est pas suffisante pour évaluer à priori la valeur de la diffusivité des supports poreux. Les diffusivités apparentes mesurées en régime transitoire et en présence d’une réaction d’ordre cinétique un (hydrogénation de l’éthylène) sont sensiblement identiques à celles obtenues par voie physique. En revanche, les diffusivités apparentes trouvées en régime stationnaire et en présence d’une réaction d’ordre différent de un (oxydation de l’éthylène) sont deux à trois fois plus faibles que celles obtenues par les deux méthodes précédentes, conformément aux observations de certains auteurs. Les différences observées sont sûrement dues à l’influence du flux convectif interne qui dépend du fonctionnement de la particule de catalyseur en présence d’une réaction chimique. En particulier, la diffusivité apparente mesurée tend vers la diffusivité apparente vraie lorsque le fonctionnement du catalyseur devient purement diffusionnel. Une méthode de détermination par voie chimique est proposée pour atteindre séparément la diffusivité apparente vraie et le coefficient de perméabilité d’un catalyseur poreux placé dans un écoulement convectif externe.

Effective diffusivity for a number of porous supports or catalysts is determined, under non-reactive and reactive conditions, in open systems with a tubular fixed bed of type “single pellet string reactor”. Method of identification of transfer function and method of moments are used to evaluate effective diffusivity. The effective diffusivity obtained, for all the supports, increases with flowrate of carrier gas, which is explained by existence of an internal convective flux inside porous particles. The comparison of measured effective diffusivities with the values deduced from theoretical models indicates that the theoretical models based on the porous structure of particles cannot be used for an a priori calculation of effective diffusivity of porous particles. Effective diffusivity measured in the presence of a first order reaction (hydrogenation of ethylene) and in dynamic regime are essentially identical to those obtained in the presence of a reaction whose kinetic order is not one (oxidation of ethylene) and in stationary regime are two or three times smaller than those measured precedently, confirming results of certain authors. These differences are surely due to the influence of internal convective flux which depends on operational regime of the catalyst in which chemical reaction takes place. In particular, the measured effective diffusivity will tend towards the true effective diffusivity if the operational regime of catalyst becomes purely diffusional one. A method of measurement under chemical conditions is given in order to obtain separately the true effective diffusivity and the coefficient of permeability for porous catalysts placed in an external convective flow.