Ingénierie des procédés électrochimiques

Sommaire et contenu du livre "Ingénierie des procédés électrochimiques"

TABLE DES MATIERES INTRODUCTION Origines et objet de l'Ingénierie Electrochimique... 9 1-L'Ingénierie Electrochimique, domaine d'application des méthodes de l'Ingénierie des Procédés de Transformation de la Matière et de l'Energie (I.P.T.M.E.)......................................................... 9 2-Les concepts de la I.P.T.M.E. en Ingénierie Electrochimique... ... ... ... ..... 11 3-Organisation des connaissances de la I.P.T.M.E................................. 14 CHAPITRE 1 Considérations générales................................................................... 17 1.1. Ecoulement d'un liquide le long d'une surface plane... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17 1.2. Ecoulement dans un canal de section rectangulaire................................. 19 1.3. Autres types d'écoulements. Modes de convection................................. 21 1.4. Flux de transport dans les milieux statiques... ... 22 1.4.1. Flux de matière par diffusion moléculaire ' 23 1.4.2. Densité de flux de transport des trois grandeurs extensives en milieu tranquille... 24 1.4.3. Loi de Newton. Viscosité... ... ... 25 1.4.4. Densité de flux de transport des ions en solution diluée... 26 1.4.5. Transport simultané des trois grandeurs extensives... 28 CHAPITRE 2 Bilans macroscopiques et microscopiques sur des réacteurs électrochimiques...................................................... 31 2.1. Bilans macroscopiques... ... ... ... ... ... ... ... 31 2.1.1. Bilan macroscopique de matière... 32 2.1.2. Bilan macroscopique d'énergie.............................. 33 2.1.3. Bilan macroscopique de quantité de mouvement... 35 2.2. Bilans microscopiques ou différentiels... ... ... ... ... ... ... ... 37 2.2.1. Bilan différentiel ou microscopique de conservation de la masse globale du fluide, ou équation de continuité du fluide... 37 2.2.2. Bilan différentiel de matière (pour le constituant A) ..... , '' ... 39 2.2.3. Bilan différentiel de quantité de mouvement (équations de Navier-Stokes pour les fluides incompressibles)... ... ... ... ... ... ... ...... 40 2.2.4. Utilité des bilans différentiels................................................. 41 2.3. Exemple d'application des bilans différentiels , 43 2.4. Analyse dimensionnelle -Nombres adimensionnels................................ 46 2.4.1. Principe de l'analyse dimensionnelle ,. 46 2.4.2. Recherche des nombres adimensionnels par la méthode de Buckingham...................................................... 48 2.4.3. Utilité des nombres adimensionnels '' 50 Annexe au Chapitre 2 1. Résumé sur les vecteurs... 52 2. Bilans différentiels en coordonnées rectangulaires... 53 3. Opérations qui utilisent l'opérateur Nabla............................................ 53 CHAPITRE 3 Transport de matière par diffusion-convection et lien avec l'hydrodynamique..................................................................... 55 3.1. Rappels de cinétique électrochimique... ... ... ... 55 3.1.1. Etapes limitatives possibles du processus ,. 55 3.1.2. Réaction à l'électrode. Lien entre potentiel et densité de courant........ 56 3.1.3. Courant limite de diffusion '' .. , , 59 3.2. Coefficient de transport de matière vers (ou depuis) les électrodes... 61 3.3. Nombres adimensionnels pour le transport de matière........................ 63 3.4. Ecoulements laminaires simples et permanents , 65 3.5. Cas des milieux électrolytiques d'hydrodynamique complexe ,. 69 Annexe au Chapitre 3 : Transport de matière au travers d'une couche limite laminaire. Solution approchée pour le cas des liquides............... ... 72 CHAPITRE 4 Méthode électrochimique pour la détermination des coefficients de transport de matière -Applications.................................................. 75 4.1. Rappel du principe du dosage polarographique... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 75 4.2. Détermination électrochimique de kd par la méthode électrochimique... 77 4.3. Application à l'échelle locale: microélectrodes... ... 82 4.3.1. Les deux « familles» de microélectrodes... 82 4.3.2. Cas particulier des électrodes « en paroi inerte »... 84 4.4. Application des microélectrodes................................................ 88 Annexe au Chapitre 4 : Dosage ampérométrique des ions Fe(CN)6 3 ­... ... 92 CHAPITRE 5 Réacteurs électrochimiques................................................................ 95 5.1. Principaux types de réacteurs électrochimiques , 95 5.2. Bilan de matière dans deux types de réacteurs idéaux.............................. 97 5.2.1. Réacteur continu parfaitement mélangé... 97 5.2.2. Réacteur à écoulement piston................................................. 98 5.2.3. Comparaison de ces deux réacteurs idéaux , .. , 100 5.2.4. Cas d'une cascade de réacteurs parfaitement mélangés mis en série.... 101 5.3. Effet du recyclage d'une partie du débit de sortie... ... ...... 102 5.4. Cas de réacteurs réels -Distribution des temps de séjour... 104 5.4.1. Généralités.................. ...... ... ... ... ... ...... ...... 104 5.4.2. Notion de Distribution des Temps de Séjour ou D.T.S......... 106 5.4.2.1. Méthode expérimentale d'obtention de la D.T.S... 107 5.4.2.2. Utilisation de la D.T.S... 109 5.4.2.3. Méthode des deux points de mesure ,................ III 5.5. Cas particuliers........................................................................... 112 5.5.1. Modèle des réacteurs parfaitement mélangés en série... ... ... ... ... ... ... 112 5.5.2. Modèle du réacteur à écoulement piston avec dispersion axiale......... 113 5.6. Application du dernier modèle au dimensionnement de réacteurs................ 115 5.6.1. Utilité du modèle du réacteur à écoulement piston avec dispersion axiale... 115 5.6.2. Exemple de déroulement des calculs 117 CHAPITRE 6 Réacteurs à électrodes de grande surface spécifique................................. 121 6.I.Introduction... 121 . 6.1.1. Stimulation des études grâce à« l'électrode fluidisée»... ... ... ... ... .... 121 6.1.2. Intérêt des Electrodes Poreuses Percolées (E .P.P.)........................ 123 6.2. Considérations générales............................................. 125 6.2.1. Configurations de référence , 125 6.2.2. Objet du dimensionnement des E.P.P....................................... 126 6.2.3. Matériau d'électrode et surface spécifique 128 6.3. Bilan des charges électriques dans l'E.P.P........................ 129 6.4. Cas de J'E.P.P. de type parallèle................................. 133 6.4.1. Contrôle cinétique et approximation linéaire............................... 133 6.4.1.1. Le problème qui se pose et sa solution........................... 133 6.4.1.2. Quelques commentaires............................................. 136 6.4.2. Contrôle diffusionnel... 138 6.5. Cas de l'E.P.P. de type croisé , 139 6.5.1. Contrôle diffusionnel...................................................... 139 6.5.2. Application au dimensionnement , '' 142 6.5.3. Remarques sur le cas du contrôle cinétique................................. 145 6.6. Conclusions...................................................... 145 Annexe au Chapitre 6 : Procédé HULIN '' 146 CHAPITRE 7 Principaux matériaux proposés pour la construction des E.P.P................... 151 7.1.Introductionethistorique................................. ..................... ......... 151 7.2. Cas des électrodes granulaires......................................................... 152 7.2.1. Evolution dans le temps des EP.P. granulaires............................ 152 7.2.2. Cas particulier de l'électrode fluidisée..................... 154 7.2.3. Autres électrodes granulaires , . 158 7.2.4. Conclusion sur les électrodes granulaires............................. 159 7.3. Cas des électrodes de métal déployé.............................. 159 7.4. Cas des électrodes de mousse métallique...................................... 161 7.5. Considérations générales pour l'utilisateur........................................... 165 7.5.1. Utiliser le canal hydraulique pour y placer une E.P.P ..... , ... ... ... ... ... 165 7.5.2. Paramètres de dimensionnement............................................. 167 7.5.3. Liste résumée de quelques paramètres importants......................... 168 7.6. Discussion relative à ces matériaux.................................................... 169 7.7. Autres matériaux... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ... ... ..... 172 CHAPITRE 8 Transport de matière dans les principales situations pratiques...... 175 8.1. Introduction , '' 175 8.2. Electrodes planes parallèles , 176 8.3. Electrodes cylindriques coaxiales , 176 8.4. Promoteurs de turbulence électrochimiquement inactifs... 176 8.5. Matériaux du type électrode-promoteur de turbulence... 185 8.5.1. Electrodes simples......................................................... 185 8.5.2. Electrodes poreuses............................................................ 186 8.6. Electrode en contact avec un film ruisselant , 187 8.7. Electrode soumise à l'impact de jets... 189 8.8. Conclusions '' 192 CHAPITRE 9 Eléments sur la distribution du potentiel et du courant.......................... 193 9.1. Introduction... 193 9.2. Distribution primaire ' 195 9.3. Distribution secondaire ' '' 198 9.3.1. Définition.................................... 198 9.3.2. Le nombre de WAGNER... 199 9.3.3. Conséquences ' , , 200 9.4. Distribution tertiaire ' 202 CHAPITRE 10 Du laboratoire au réacteur industriel.................................................... 203 10.1. Etude à micro-échelle au laboratoire 203 10.2. Première étude d'Ingénierie Electrochimique....................................... 204 10.3 Etude d'un mini-pilote.................................................................. 206 10.4. Extrapolation -Etude d'un pilote industrie!.. 207 10.5.Principedel'optimisationéconomique........................... ...... ....... 210 10.6. Conclusion , 212 CHAPITRE Il Quelques apports récents de l'Ingénierie Electrochimique......... 213 11.1.Pourquoidenouveauxréacteursélectrochimiques? ............... 213 11.2. Considérations sur le choix des réacteurs... ... ... 214 11.2.1. Facteurs à considérer au plan pratique '' 215 11.2.2. Quel type d'électrode doit-on considérer?... 215 11.3. Présentation succincte de quelques réacteurs originaux... ... 217 Il.4. Quelques domaines ayant servi au développement de l'Ingénierie Electrochimique... ... ... 220 11.4.1. La récupération des métaux... 220 11.4.2. Les électrosynthèses organiques... ... .. .. . . 221 11.4.3. Le traitement électrolytique des eaux... 222 11.5. Influence, sur quelques exemples, de l'apport de l'Ingénierie Electrochimique..................... 223 11.5.1. Etude de l'irrigation des canaux dentaires sous l'effet d'une lime en vibration.......................................... 224 11.5.2. Etude d'une cellule de laboratoire à auto-pompage...................... 226 11.5.3. Etude des échanges entre un fritté et le liquide qui en remplit les pores 226 11.5.4. Exemple du réacteur à film ruisselant... 228 CONCLUSION , 229 EXEMPLES D'APPLICATION 231 NOMENCLATURE............... 267 GLOSSAIRE 273 BmLIOGRAPHIE 275 INDEX ALPHABETIQUE 283