Couplage entre cinétique chimique et transferts dans un agrégat poreux: application à deux réactions solide-gaz
Résumé
Les réacteurs industriels où se déroulent des réactions hétérogènes solide-gaz sont des systèmes difficiles à appréhender. En effet, le milieu granulaire constitué de la phase solide et des gaz réactifs et produits voit ses propriétés modifiées à chaque instant par les réactions chimiques qui s'y déroulent. Ainsi, l'étude de tels systèmes réactionnels nécessite non seulement de déterminer la cinétique chimique à l'échelle de grains, mais également de considérer la géométrie et les caractéristiques du réacteur, les sources de chaleur, les entrées, sorties et débits de flux gazeux, les caractéristiques du lit de poudre, etc ... Afin de rendre compte de ces sytèmes complexes, nous avons développé le logiciel CIN4, outil de simulation multi-échelle de réactions hétérogènes, alliant la modélisation des phénomènes des transferts de masse et de chaleur aux simulations de cinétiques hétérogènes sur des populations de grains. Néanmoins, dans certains cas, la prise en compte de la cinétique chimique à l'échelle du grain et des transferts à l'échelle du réacteur ne suffit pas pour rendre compte de la réalité physique. En effet il arrive assez souvent que les grains de la phase solide soient rassemblés en agrégats poreux. Il apparait alors nécessaire de considérer une échelle intermédiaire pour l'étude du système réactionnel. La réaction chimique conduit à une évolution de la porosité, qui elle-même influe sur la température et les pressions partielles de gaz au sein de l'agrégat et donc sur la cinétique de la réaction. C'est pourquoi le logiciel CIN4 offre la possibilité de résoudre les équations de transferts de la chaleur et de la matière au sein d'un agrégat poreux par la méthode des différences finies, et de coupler ces équations avec l'équation de vitesse de transformations des grains. Dans ce travail, nous décrirons tout d'abord les modèles de cinétique chimique à l'échelle des grains et les modèles de transferts à l'échelle de l'agrégat poreux implémentés dans CIN4 ainsi que le couplage entre ces deux échelles. Nous présenterons ensuite l'application de ce couplage à deux réactions solide-gaz : la carbonatation de l'oxyde de calcium par le dioxide de carbone et l'oxydation de nano-particules de cuivre par l'oxygène. Dans ces deux cas d'étude, la détermination de paramètres texturaux tel que l'évolution de la porosité et des rayons de tailles de pores sera abordée et la comparaison des courbes cinétiques obtenues par thermogravimétrie et par le calcul seront présentées.