UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT1 ABSORPTION Savoir S.3 : Oprations unitaires S.3.5.4 Absorption : Absorption contre courant, courbe dquilibre, bilan molaire, taux de solvant minimum et conduite. Objectif de formation : Connatre linfluence des paramtres de conduite Distinguer les paramtres influents sur la courbe dquilibre et sur la droite opratoire. UtilisationdelaconstructiondeMacCabeetThiele,pourdterminerlenombrede plateaux thoriques. 1GENERALITES Labsorptionsedfinitsimplementcommeloprationfondamentaledetransfertdansun liquide dun ou plusieurs constituants dun gaz (ou dune vapeur). On peut exprimer que cest lopration daprs laquelle un mlange de gaz (ou de vapeur) est misencontactavecunliquideafindesparer,pardissolution(ouabsorption)danscelui-ci, un ou plusieurs constituants du mlange gazeux. Cette opration est souvent appele : lavage des gaz (gas scrubbing) Lesgazsparerpeuventtredesproduitsutilesounuisiblesquelondsireliminerdun gaz porteur destin subir ensuite dautres traitements. Ce substrat est souvent un gaz inerte, cest--dire insoluble dans le liquide absorbant. Termes utiliss : Lesolutouabsorbatestlegaz(oulavapeur)contenudanslegazporteur,que lon doit extraire par dissolution dans le liquide. Lediluantouinerteestlegaz(ouvapeur)mlangausolut.Ilestsouvent insoluble ou peu soluble dans le solvant. Le mlange, diluant-solut, est appel souvent : gaz riche . Le gaz dpourvu plus ou moins compltement du solut est appel : gazpuis. Labsorbant ou solvant est le liquide destin dissoudre le solut. UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT2 Lasolutionestleliquideobtenupardissolutiondusolutdanslesolvant,elle porte galement le nom de solution riche. Les processus de dissolution dun gaz dans un liquide sont de nature physique ou chimique. Absorption physique : Cestunedissolutionphysico-chimiquefaisantappelauxphnomnesdesolubilitgaz-liquide sans quil y ait aucune transformation chimique des constituants. Absorption chimique : Ellecorrespondladissolutiondunsolutdansunliquideavecformationduncompos chimique plus ou moins stable. Labsorptionprsentecertainesanalogies,encequiconcernelanaturedesprocessusetde lappareillage utilis, avec dautres oprations de transfert de matire telles que les extractions et la distillation. Lesoprationsontpourcaractristiquecommunequeletransfertdusolutdunephase lautre lieu par des phnomnes de diffusion exigeant un bon contact entre les phases. Dans labsorption, les gaz diffusent principalement dans le sens gaz-liquide et trs peu dans le sens inverse. Labsorption est ralise, le plus souvent, contre courant, par introduction du gaz la base et du solvant la partie suprieure, le gaz diluant tant recueilli en tte tandis que la solution est soutire la partie infrieure. Lopration inverse de labsorption est la dsorption ou dgazage (stripping). Elle consiste liminerlesgaz(ouvapeurs)absorbsdansleliquide,cest--direquelleprovoquele passageoutransfertdesgazduliquidedansunautregaz(ouvapeur).Elleestralise,soit par mise en contact du liquide avec un gaz ou une vapeur qui sert dagent de dsorption, soit encoreparchauffageenprsenceounondevapeurdeau,lorsquonaaffaireune combinaisonchimiquedusolutaveclabsorbant.Lorsquelabsorbatdoittrercupr,ce qui est frquemment le cas, lopration de dsorption suit celle dabsorption. Lesapplicationsdelabsorptionsontextrmementnombreuses,notammentdanslagrande industriechimiquecartouslesprocdschimiquesenphasegazeusefontappelcette opration. Exemples : - Absorption chimique et physique du CO2. - Absorption du sulfure dhydrogne. - Absorption du SO2. UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT3 2NOTIONS THEORIQUES A.Caractres gnraux : Le processus de labsorption, cest--dire le passage dun solutdans un solvant dpend de la solubilit lquilibre du solut dans le liquide et de la vitesse de transfert ou de diffusion du premier dans le second. 2.1Solubilit : Lorsquungazestmisenprsencedunliquide,lchangedematireentrephases correspondant lquilibre peut-tre suppos ralis approximativement, aprs une dure plus ou moins longue suivant le systme auquel on a affaire. Dans ces conditions, la connaissance desteneursenconstituantsdanschaquephases(solubilits)etnotammentdecelledugaz dans le liquide est particulirement importante. Tables de solubilit : Ces tables expriment la teneur du gaz dans la solution et la pression partielle du gaz au-dessus de la solution, pour lquilibre, temprature constante. Diagramme de solubilit : Lesgraphes,lignesoucourbesdesolubilitdiversestempraturesouisothermesde solubilit donnent, pour la temprature choisie, la variation de la pression partielle du gaz en fonction de la teneur en solution dans le solvant. 2.2quilibre gaz- liquide : LesloisdeDalton,deHenryetdeRaoultsappliquentltudethoriquedesquilibres liquide-gaz de certains mlanges particuliers. Elles relient les pressions partielles du systme gaz-liquide la teneur du gaz dans le solvant ou sa pression maximale de vapeur. Loi de HENRY : Ellesappliquedessolutionstrsdiluesdegazdansunliquideetdefaiblespressions partielles de gaz, en particulier aux soluts de gaz permanents, dans leau. On peut lexprimer de la manire suivante : A lquilibre, la pression partielle dun gaz au-dessus dun liquide dans lequel le gaz est soluble est proportionnelle la teneur du gaz dans le liquide. UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT4 Danscesconditions,lavariationdelapressionpartielleenfonctiondelateneurensolut danslesolvantestunedroite.Danslabsorption,onutilisepluttlesconcentrationsetles titres molaires, de sorte que lexpression gnrale de la loi de HENRY est : C Xp = H *c ou p = H *x p : pression partielle du solut dans la phase gazeuse (atm) c :molarit du solut dans la phase liquide. x :titre molaire du solut dans la phase liquide. Hc :constante de HENRY en atm / molarit. Hx :constante de HENRY en atm / titre molaire. Dautrepart,laformuledeHENRYsetransformeentenantcomptedelaformulede DALTON, valable avec les gaz parfaits : tp = y*P p: pression partielle du solut dans la phase gazeuse y: titre molaire du solut dans la phase gazeuse. Pt : pression totale du systme. En galant les deux expressions de la pression partielle, on a : yH xPXt=.en posant mHPXt= on obtient : y = m*x Lecoefficient mjoue le rle que mmerle que le coefficient de partage dans lextraction liquide-liquide.Cetteformuleestutiliseparfoispourtracerlacourbededistribution exprime en titres molaires : droite passant par lorigine des axes de coordonnes. Loi de RAOULT : Cest une loi limite valable pour les mlanges parfaits (ou idaux), cest--direconstitus de corps de structures voisines. A temprature constante, pour un gaz en quilibre avec une solution idale, la pression partielle du solut dans la phase gazeuse est gale au produit de la pression maximale de vapeur du solut par son titre molaire dans la solution. UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT5 Formule de RAOULT : 0p = x*P Cette formule se transforme en tenant compte de la formule de DALTON : 0tPy =*xP Cettedernireformule,quidonneunerelationentreletitremolairedusolutdanslaphase gazeuseetletitremolairedecemmeconstituantdanslaphaseliquide,permetdetracerla courbededistribution,laquelleestunedroitedecoefficientangulaire 0tPP passantpar lorigine. B.Mthodes dabsorption : Lesprincipalesoprationspeuventtreclassesdaprslesensdudplacementdesfluides, gaz et liquide, en deux catgories : - labsorption co-courant (non abord en baccalaurat professionnel) - labsorption contre-courant Absorption contre-courant : Labsorption mthodique contre-courant, comme les oprations dextraction du mme type, consistefairecheminerdanslabsorbeur,enrgimecontinu,gnralementstationnaire,le gaz riche en absorbat en sens inverse du liquide. Legaztraiterarriveainsiuneextrmitdelappareilosortlasolutionricheensolut tandisquelegazpuisquittelautreextrmitdelabsorbeurparlaquellepntreaussile solvant Cette opration, trs utilise industriellement, prsente de grandes analogies aveclextraction liquide-liquide et la rectification. Elle est mise en uvre surtout dans des colonnes verticales, aspersion, plateaux et garnissage. UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT6 Deux oprations importantes relvent de labsorption contre-courant : absorption tages multiples absorption contact continu Commepourlesextractions,labsorptioncontrecourantexigemoinsdesolvantque labsorption courants parallles surtout lorsquon recycle une partie de la solution. Dans un systme de ce genre, appel absorption recirculation de liquide, la solution riche en absorbatscoulantdelacolonneestmlangedusolvantdappointetconstitueune solution peu riche en absorbat ; celle-ci est rintroduite en partie dans la colonne. La fraction non recycle de solution peu riche peut-tre rejete, ou rgnre. On peut encore envoyercettesolutiondansuneautrecolonneoellesertdesolvant.Ledispositif correspondant,recirculationdesolutionavecplusieurscolonnes,raliseuneabsorption mthodique avec le minimum de solvant. UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT7 Colonne dabsorption avec recirculation de liquide Absorption plusieurs colonnes avec recirculation de liquide UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT8 3DESORPTION Danslapratiqueindustrielle,labsorptionestgnralementjumeleloprationde dsorption,laquelleestdestinelarcuprationdusolutdissousdanslesolvantetla rgnration de celui-ci afin de le faire entrer nouveau en service. Ladsorptionestgnralementraliseparchauffagedelasolutionouparinjectionde vapeurdanscelle-cicirculantdansledsorbeur,constituparunecolonneplateauxou garnissage. Dans un systme qui utilise le chauffage, les courants de gaz et de liquide cheminent contre courant; en tte du dsorbeur, arrive la solution riche et sort le solut gazeux tandis que lon chauffe,labase,pourliminerlabsorbatdelasolution.Lesolvantestrenvoydans labsorbeur,aprsrefroidissement,dabordparchangethermiqueaveclasolutiontraiter (celle-ciparvientainsiprchauffeaudsorbeur),puisparundispositifordinairede rfrigration. UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT9 4DETERMINATION DES ELEMENTS DABSORPTION SIMPLES Lamiseenuvreduneabsorptionexigegnralementladterminationdelaquantitde solvant(dbit)etdescaractristiquesdelappareillage(typeetdimensions)pourtraiterune certainequantitdegazchargensolut(dbitetcompositionconnus),envuedobtenirun gaz appauvri en absorbt (composition dtermine en solut). On peut encore vouloir connatre la teneur en solut du gaz effluent et les caractristiques de lappareillagepourtraiterunecertainequantitdegazdecompositionconnueensolutpar une certaine masse de solvant (dbits imposs en gaz et en solvant). Tout se ramne en somme aux tches suivantes : choix du solvant, tude de lquilibre du solut dans les phases gazeuse et liquide, dtermination des conditions opratoires et des caractristiques de lappareillage. Laconnaissancedescaractristiquesdunabsorbeurestlapartieessentielledelamiseen oeuvreduneopration.Pourlabsorptioncontinuecontre-courantdansdescolonnes cylindriques plateaux ou garnissage, il est ncessaire dvaluer, soit le nombre de plateaux, soit la hauteur du garnissage, puis le diamtre et les pertes de charge. Relations opratoires gnrales : On considrera pour cette tude que le diluant ou inerte est insoluble dans le solvant et quil ny a pas de solvant entran dans la phase gazeuse. Absorption contre-courant : Bilan matire aux frontires : E SV L V L + = +Bilan partiel en solut : E E S SVy Lx Vy Lx + = +quation de la droite opratoire : S EE SL V Ly x y xV V V= + UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT10 Ici on peut distinguer 2 cas : Faible concentration : Dans le cas des faibles concentrations, nous pouvons faire lhypothse que les dbits de gaz et deliquidessontconstantstoutaulongdelacolonnedabsorption.Ainsi E SV V V = = et E SL L L = = La droite opratoire devient donc :( )S ELy x x yV= +yxDroite dquilibre de la forme *y mx =xSyExEySDroite opratoire de la forme ( )S ELy x x yV= +HB Pourletracdeladroiteopratoireilsuffitdeconnatrelescaractristiquesdescourants liquides et gazeux entrant et sortant. LepointB,caractrisantlebasdelacolonne,apourcoordonne(xS,yE),etlepointH, caractrisant le haut de la colonne, a pour coordonne (xE, yS). Ledbitdesolvantnestpasconnu,alorscommeendistillationonpasseparletauxde solvant minimum pour dterminer, ensuite le taux de solvant optimal. Mthodologie de dtermination du taux de solvant minimum : Apartirdutitremolairedalimentationgazeuse,tracerlhorizontaleetnoterlepointB intersection entre cette horizontale et la droite dquilibre. Lire labscisse xm du point B. Apartirdecepointonentireparlquationdeladroiteopratoire : ( )miniS E m ELy x x yV| |= + |\ Do : miniS EE my y LV x x | |= |\ UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT11 A partir de ce taux de solvant minimum on calcule le taux de solvant optimal par la relation suivante : opt mini*L LKV V| | | |= ||\ \ De la droite opratoire on trouve, le titre molaire du liquide en sortie xS. optS Es Ey yx xLV= | | |\ Ainsi on peut placer le point B (xS, yE), et tracer la droite passant par les points H et B. puis il est possible de dterminer graphiquement le nombre de plateaux thoriques : yxxSyExEySHB123450.9 Forte concentration : Dans le cas des fortes concentrations, nous ne pouvons plus faire lhypothse que les dbits de gazetdeliquidessontconstantstoutaulongdelacolonnedabsorption.Ainsi E SV V et E SL L Par contre deux lments restent constants tout au long de la colonne : le dbit de solvant pur S, li au dbit de solvant par :( ) 1E ES L x = le dbit de diluant D, li au dbit de gaz par :( ) 1E ED V y = En effectuant le changement de coordonnes suivant 1xXx= et 1yYy= La droite opratoire devient :* *E SS SY X Y XD D= + UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT12 Dmonstration : ( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) ( ) ( )( ) ( ){( ) ( )11 1 11 1 11 1 11 1 11 * * *1 1 1* * *1 1 1 1* *E SE SE SE SE SS EE SS EE SY X Y XE SS D Sx y xy x y xD D Dy y yS y D y S yy x y xD x D y D xx y S x D Sy yD x D y D xx y y S x D Sy D x D y D xS SY X Y XD D = + = + (= + ( ( ( ( ( = + ( ( = + 123 123 14243 14243 Ce qui est bien lquation dune droite mais dans un repre (X ; Y) et non (x ; y) XCourbe dquilibre de la forme ( )*y f x =XSYEXEYSDroite opratoire de la forme E SS SY X Y XD D= + SBY Pourletracdeladroiteopratoireilsuffitdeconnatrelescaractristiquesdescourants liquides et gazeux entrant et sortant. LepointB,caractrisantlebasdelacolonne,apourcoordonne(XS,YE),etlepointH, caractrisant le haut de la colonne, a pour coordonne (XE, YS). Ledbitdesolvantnestpasconnu,alorscommeendistillationonpasseparletauxde solvant minimum pour dterminer, ensuite le taux de solvant optimal. UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT13 Mthodologie de dtermination du taux de solvant minimum : Apartirdutitremolairedalimentationgazeuse,tracerlhorizontaleetnoterlepointB intersection entre cette horizontale et la droite dquilibre. Lire labscisse Xm du point B. Apartirdecepointonentireparlquationdeladroiteopratoire : ( )miniS E m ESY X X XD| |= + |\ Do : miniS EE mY Y SD X X | |= |\ A partir de ce taux de solvant minimum on calcule le taux de solvant optimal par la relation suivante : opt mini*S SKD D| | | |= ||\ \ A partir de la droite opratoire on trouve, le titre molaire du liquide en sortie XS. optS Es EY YX XSD= | | |\ Ainsi on peut placer le point B (XS, YE), et tracer la droite passant par les points H et B. puis il est possible de dterminer graphiquement le nombre de plateaux thoriques : UFA 2 ABSORPTION DESORPTION VERSION ENSEIGNANT14 Dsorption : Mme bilan, sauf que la droite opratoire se trouve sous la courbe dquilibre. XCourbe dquilibre XEYSXSYEDroite opratoire BSY Choix du solvant : Solubilit : slectivit de labsorbat, la plus grande possible Faible volatilit (pour ne pas tre entraner) Faible viscosit (augmentation de la vitesse dabsorption, coulement plus rapide) Peu corrosif pour les matriaux Non inflammable Peu altrable Bas point de conglation Prix peu lev. Influence de quelques paramtres : La temprature : la solubilit dun gaz dcrot quand la temprature augmente. La nature du solut, onnotegnralement une augmentation de la solubilit avec une augmentation de la temprature critique. La solubilit augmente avec la pression partielle du solut.