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LE PHENOMENE D’ADSORPTION (OU PHYSISORPTION)
EQUILIBRES MONOCONSTITUANTS
DIFFUSION MÉSO- ET MACROPOREUSE
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Table des matières
Introduction générale
I. Etude bibliographique
1. Adsorption et adsorbants
1.1. Les solides adsorbants
1.1.1. Généralités[1–3]
1.1.2. Adsorbants de type zéolithe
1.2. Le phénomène d’adsorption (ou physisorption)
1.2.1. Interactions au niveau moléculaire [2], [10]
1.2.2. Equilibres d’adsorption
1.2.2.1. Isothermes d’adsorption : classification de Brunauer
1.2.2.2. Equilibres monoconstituants
Modèle de Langmuir
Modèles de Dubinin-Polanyi
Modèle de Toth
1.2.2.3. Equilibres multiconstituants
1.2.3. Transfert de matière en phase gazeuse dans un solide poreux
1.2.3.1. Phénomène de diffusion en milieu poreux
1.2.3.2. Diffusion méso- et macroporeuse
Tortuosité
Diffusion moléculaire
Diffusion de Knudsen
Diffusion de Surface
Diffusion de Poiseuille
Régime de diffusion transitionnel
1.2.3.3. Diffusion intra cristalline
1.3. Adsorption en lit fixe
1.3.1. Ecoulement en lit fixe
1.3.1.1. Dispersion
1.3.1.2. Diffusion dans le film
1.3.1.3. Pertes de charge
1.3.2. Bilans de matière
1.3.2.1. Bilan en phase extragranulaire
1.3.2.2. Bilan en phase intragranulaire
1.3.3. Bilans d’énergie
1.3.4. Conclusion
1.4. Procédés d’adsorption industriels
1.4.1. Généralités
1.4.2. Procédé TSA
1.4.3. Procédé PSA
1.4.4. Conclusion
2. Micro-ondes : principes fondamentaux
2.1. Généralités
2.2. Equations de Maxwell et propagation
2.2.1. Equations de Maxwell
2.2.2. Propagation en espace libre
2.2.3. Propagation guidée
2.2.3.1. Principe
2.2.3.2. Modes de propagation
2.2.3.3. Propagation dans un guide rectangulaire
2.2.3.3.1. Conditions de propagation
2.2.3.3.2. Propagation en mode TE10
2.3. Interactions onde-matière
2.3.1. Phénomènes de polarisation
2.3.2. Propriétés diélectriques complexes d’un matériau
2.3.2.1. Effet de la fréquence de l’onde électromagnétique
2.3.2.1.1. Théorie de Debye
2.3.2.1.2. Distribution des temps de relaxation
2.3.2.1.3. Contribution de la conductivité
2.3.2.2. Effet de la température
2.3.3. Conversion énergétique
2.4. Conclusions
3. Adsorbants, adsorption et micro-ondes
3.1. Synthèse de zéolites
3.2. Régénération d’adsorbants
3.3. Contrôle des sélectivités d’adsorption
3.3.1. Observations expérimentales
3.3.2. Théories développées
3.4. Conclusions
4. Conclusions bibliographiques
Nomenclature
Notes et références
II. Caractérisations diélectriques de zéolithes
1. Introductions aux mesures
2. Technologies de mesure
2.1. Principes généraux
2.2. Technologies utilisées
2.2.1. Sonde coaxiale à extrémité ouverte
2.2.2. Perturbations en Cavité résonante [4]
3. Mise en évidence des interactions onde-zéolithe : évolution fréquentielle des permittivités
3.1. Etat de l’art
3.2. Travaux expérimentaux
3.2.1. Matériaux testés
3.2.2. Procédure
3.2.3. Résultats
3.2.4. Modélisation
3.3. Phénomènes régissant les interactions onde-matière
3.3.1. Effet du niveau d’hydratation
3.3.2. Effet des cations
3.3.2.1. Conductivité ionique
3.3.2.2. Polarisation interfaciale
3.3.3. Polarisation des groupements silanol
3.4. Conclusions
4. Evolution des permittivités diélectriques avec la température à 2.45 GHz
4.1. Méthode expérimentale
4.1.1. Banc de mesure
4.1.1.1. Dimensionnement de la Cavité résonnante
4.1.1.2. Procédure de mesure
4.1.2. Matériaux caractérisés
4.2. Résultats
4.2.1. A température ambiante
4.2.2. Effet de la température
4.2.2.1. Cas d’un adsorbat polaire
4.2.2.2. Cas d’un adsorbat apolaire
4.2.2.3. Conclusions : Application aux cas de désorptions
5. Conclusion
Nomenclature
Notes et références
III. Adsorptions sous irradiation micro-ondes
1. Objectifs
2. Outil expérimental
2.1. Schéma de l’installation
2.2. Préparation des gaz
2.3. Réacteur d’adsorption
2.4. Procédure expérimentale
2.4.1. Déshydratation des solides
2.4.2. Chargement monoconstituant
2.4.3. Co-adsorptions
3. Adsorptions compétitives de binaires
3.1. Choix des binaires
3.2. Solides adsorbants testes
3.3. Adsorptions en lits fixes
3.3.1. Adsorptions sans chauffage
3.3.1.1. Percées monoconstituants
3.3.1.2. Adsorptions compétitives
Percées et évolutions des températures
Sélectivités d’adsorption à température ambiante
3.3.2. Adsorptions sous irradiations micro-ondes
3.3.2.1. Evolutions temporelles
3.3.2.2. Equilibres d’adsorption
3.3.2.3. Conclusions provisoires
3.4. Adsorptions en lits fluidisés
3.4.1. Percées en chauffage micro-ondes et thermique
3.4.2. Comparaison des sélectivités et masses adsorbées
3.4.3. Le chauffage micro-ondes au cours des co-adsorptions
4. Conclusions
Nomenclature
Notes et références
IV. Modélisation multiphysique
1. Problématique générale
2. Chauffage d’un lit fixe
2.1. Distribution de l’onde électromagnétique
2.1.1. Equations différentielles
2.1.2. Domaines de résolution
2.1.3. Conditions aux frontières des domaines
2.2. Transferts thermiques
2.2.1. Equations à résoudre
2.2.2. Conditions aux limites des domaines
2.2.2.1. Parois externes du réacteur [4]
2.2.2.2. entrée-sortie des «gaz»
2.3. Quantité de mouvement
2.3.1. Estimations des pertes de charge
2.3.2. Equations à résoudre
2.3.3. Conditions aux limites
2.4. Validations expérimentales
2.4.1. Chauffage sous micro-ondes d’un lit de zéolithe NaX sans balayage gazeux
2.4.1.1. Expérimentations
Procédure
Mesures de température
Géométrie et maillage du modèle
Données utilisées
Résultats et observations
2.4.1.2. Résultats des modélisations
Conclusion de la modélisation
2.4.2. Chauffage sous micro-ondes d’un lit traversé par N2
2.4.2.1. Expérimentations
Procédure expérimentale
Mesures de température
Géométrie et maillage du modèle
Données utilisées
Résultats et observations
2.4.2.2. Résultat des modélisations
Observations locales
Distribution du champ électrique
Distribution de la vitesse superficielle et des températures
Conclusion de la modélisation
3. Désorption d’eau en lit fixe
3.1. problème
3.2. Transferts thermiques
3.2.1. Equation de la chaleur
3.2.2. Conductivité thermique effective
3.2.3. Conditions aux limites des domaines
3.2.3.1. Parois externes du réacteur
3.2.3.2. entrée-sortie des «gaz»
3.3. Transferts de matière
3.3.1. Equation bilan des transferts de matière sur le réacteur
3.3.2. Conditions aux limites des domaines
3.3.2.1. Parois verticales du réacteur
3.3.2.2. entrée-sortie gaz du réacteur
3.4. Validation expérimentale
3.4.1. Expér imentations
3.4.1.1. Procédure
3.4.1.2. Résultats et observations
3.4.1.3. Données utilisées pour la modélisation
3.4.1.4. Résultats des modélisations
Evolutions locales et validations
Distribution du champ électrique
Distribution des températures
Distribution des masses adsorbées
Intérêt du chauffage micro-ondes en désorption
4. Conclusion
Notes et références
Nomenclature
V. Procédé de séparation d’un mélange gazeux
1. Contexte
1.1. Généralité
1.2. étude
2. Régénération sous micro-ondes d’une zéolithe saturée en toluène
2.1. Lit simple de zéolithe
2.2. Approche du concept de double lit
3. expérimentations
3.1. Configuration des lits d’adsorbants multiples
3.2. Procédure expérimentale
3.2.1. Déshydratation des solides
3.2.2. Adsorption du binaire toluène/H2O en lits multiples
3.2.3. Mesure des quantités adsorbées toluène/H2O
3.2.4. Régénération sous irradiation micro-ondes
3.2.4.1. Etape 1 de régénération : régénération du lit inférieur
3.2.4.2. Etape 2 de régénération : régénération du lit supérieur (DAY30)
3.2.4.3. Etape 3 de régénération : régénération du lit de garde : cas du triple lit (NaA)
3.3. Résultats des essais
3.3.1. Etape d’adsorption
3.3.1.1. Percées et températures
3.3.1.2. Niveaux de remplissage des lits
3.3.2. Phase de régénération
3.3.2.1. régénération du 1er lit chargé en eau
3.3.2.2. 2ème étape de régénération
3.3.2.3. 3ème étape de régénération : régénération du lit de garde (si nécessaire)
4. Conclusion
Notes et références
Nomenclature
Conclusions et perspectives
ANNEXES
Annexes 1 : études bibliographiques
Annexes 1-1 : conductivité thermique effective
1. Contribution stationnaire
Conductivités thermiques
Rayonnement thermique intergranulaire
2. Contribution dynamique
Annexes 2 : caractérisations diélectriques
Annexe 2-1 : modélisation quadripôle d’une ligne de transmission
Un quadripôle
Application à une mesure en réflexion type sonde coaxiale
Annexe 2-2 : Porosité externe des lits compactés
Annexe 2-3 : Permittivités relatives en fréquence de lit de zéolithes en poudres compactés à différents chargements en eau à 18°C
Annexe 2-4 : Paramètres optimums du modèle de Debye étendu
Annexe 2-5 : Permittivités relatives à 2,45 GHz
influence de la rampe de température sur la fR
Mesure à 18°C
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