Distribution de temps de séjour

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L’expression de distribution de temps de séjour s'utilise en génie des procédés. Elle permet de rendre compte du type d'écoulement d'un fluide dans un réacteur (réservoir, conduite…).

La distribution de temps de séjour est un modèle qui permet de caractériser l'hydrodynamique d'un réacteur chimique et de déterminer quel modèle de réacteur définit le mieux l'installation étudiée (réacteur continu ou réacteur tubulaire) ainsi que les déviations par rapport aux modèles des réacteurs idéaux. Cette caractéristique est importante pour pouvoir calculer la performance d'une réaction avec une cinétique connue.

Le principe de l'utilisation de la distribution des temps de séjour dans l'analyse des performances d'une installation fut énoncé dans un article par MacMullin et Weber en 1935 déjà. Toutefois il fallut attendre les travaux du Prof P.V. Danckwerts qui définit la plupart des distributions. Il a établit une nomenclature qui est encore utilisée pour traiter ce genre de problème.

Sommaire

1 Principe
2 Théorie
3 Détermination expérimentale de la DTS
- 3.1 Injection par échelon
- 3.2 Injection par impulsion
4 DTS des réacteurs idéaux
5 Modèles des réacteurs réels
- 5.1 Détection des non-idéalités pour le réacteur continu
- 5.2 Détection des non-idéalités pour le réacteur tubulaire
6 Références

[modifier] Principe

Les modèles des réacteurs idéaux sont construits sur un certain nombres d'hypothèses: le mélange d'un flux entrant d'un réacteur continu est considéré comme complet et instantané avec le milieu réactionnel et dans un réacteur tubulaire, l'écoulement est défini comme piston (pas de rétro-mélange). Or dans la réalité, il est impossible d'obtenir de telles conditions, notamment pour des réacteurs industriels qui ont en général une taille comprise entre 1 et plusieurs dizaines de m³. La distribution des temps de séjour permet donc de déterminer dans quelle mesure une installation dévie du modèle idéal et d'apporter les corrections nécessaires dans le fonctionnement du procédé afin de compenser cette non-idéalité.

Pour caractériser l'écoulement, on utilise dès lors la distribution de temps de séjour qui est une approche statistique. En effet, on considère un élément du fluide à son entrée dans le réacteur et on mesure le temps que ce dernier met pour atteindre la sortie. Si on répète l'expérience ou on considère plusieurs éléments en même temps, on constatera que les résultats ne sont pas identiques. Les causes principales de cette différence est l'existence de zones stagnantes ou de court-circuits dans l'installation étudiée.

[modifier] Théorie

On peut dès lors établir une distribution des temps de séjour, le plus souvent représentée par une distribution de fréquences appelée habituellement E. Pour ce faire, trois hypothèses sont posées:

le réacteur est à l'état stationnaire
le fluide est incompressible
à l'entrée et à la sortie du réacteur, le transport a lieu uniquement par convection

Dans ces conditions, la fonction E rapporte l'âge des éléments qui quittent le réacteur à un moment donné. La dimension E(t) correspond ainsi à une fraction du flux total ayant un certain âge par unité de temps.
La fraction du fluide qui séjourne durant un intervalle de temps donné dans le système est donné par la valeur E(t)•Δt (cf . Figure 1).

Les relations suivantes peuvent être définies:

$\int\limits_{0}^\infty E(t)\, \mathrm dt = 1 \qquad (1)$

$\int\limits_{0}^{t1} E(t)\, \mathrm dt \qquad (2)$ fraction du fluide qui quitte le réacteur avec un âge plus jeune que t₁

$\int\limits_{t1}^\infty E(t)\, \mathrm dt = 1-\int\limits_{0}^{t1} E(t)\, \mathrm dt \qquad (3)$ fraction du fluide qui quitte le réacteur avec un âge plus âgée que t₁

La moyenne de la distribution, qui correspond à la moyenne des temps de séjour, est donnée par le premier moment de la distribution

$\overline {t} = \int\limits_{0}^\infty t \cdot E(t)\, \mathrm dt \qquad (4)$

La moyenne des temps de séjour est égale au temps de passage si la densité du système est constante

$\overline {t} = \tau = \frac {V}{\dot V} \qquad (5)$

Les moments centrés d'ordre supérieur à 1 fournissent des informations non-négligeables sur le comportement de la fonction E(t). Par exemple, le moment centré d'ordre 2 indique la dispersion autour de la moyenne, c.-à-d. la variance.

$\sigma^2 = \int\limits_{0}^\infty (t- \overline {t})^2 \cdot E(t)\, \mathrm dt \qquad (6)$

Le moment centré d'ordre 3 indique l'asymétrie de la fonction E(t) et celui d'ordre 4 l'aplatissement de cette dernière.

On peut également définir une distribution d'âge interne, nommée I(t), pour le contenu du réacteur. Cette valeur possède la même définition que E(t): il s'agit de la fraction du flux total au sein du réacteur ayant un certain âge par unité de temps. La relation qui relie E(t) et I(t) est donnée par

$E(t) = - \tau \cdot \frac {dI(t)}{dt} \qquad (7)$

[modifier] Détermination expérimentale de la DTS

Pour déterminer la distribution de temps de séjour, on introduit un traceur (colorants (colorimétrie), sels (conductimétrie) voire des éléments radioactifs (radioactivité)) dans le système selon une fonction connue et on mesure à la sortie les changements de la fonction d'injection. Le traceur choisi ne doit pas modifier les propriétés physiques du milieu (même densité, même viscosité) et l'introduction du traceur ne doit pas modifier les conditions hydrodynamiques.

Le principe pour l'établissement d'une fonction de distribution de séjour est la mesure de la concentration en sortie de l'installation et on divise cette concentration par la concentration totale pour obtenir une fraction. Mathématiquement cela donne

$E(t) = \frac{C(t)}{\int\limits_{0}^\infty C(t) dt} \qquad (8)$

On utilise en général 2 fonctions d'introduction: l'“échelon” (step) et l'“impulsion” (pulse). D'autres fonctions sont possibles, mais demandent plus de calculs pour obtenir E(t).

[modifier] Injection par échelon

La concentration du traceur à l'entrée du réacteur passe brusquement de 0 à C₀. La concentration du traceur en sortie du réacteur est mesurée et peut d'être divisée par la concentration initiale C₀ (en générale connue) pour obtenir la courbe adimensionnelle F qui est comprise entre 0 et 1: F(t) = C(t)/C₀.

Par un bilan de matière, on peut définir la relation suivante

$F(t) + \tau \cdot I(t) = 1 \qquad (9)$ ce qui donne $I(t) = \frac {(1-F(t))}{\tau} \qquad (10)$

En utilisant les relations (7) et (9), on trouve

$F(t) = \int\limits_{0}^t E(t)\, \mathrm dt \qquad (11)$ ce qui donne $E(t) = \frac {dF(t)}{dt} \qquad (12)$

La valeur de la moyenne et de la variance peuvent également être déduite de la fonction F(t)

$\overline {t} = \int\limits_{0}^\infty t \cdot E(t)\, \mathrm dt = \int\limits_{0}^1 t\, \mathrm dF(t) = -\int\limits_{0}^1 t\, \mathrm d(1-F(t)) = \int\limits_{0}^\infty (1-F(t))\, \mathrm dt \qquad (13)$

$\sigma^2 = \int\limits_{0}^\infty (t-\overline {t})^2 \cdot E(t)\, \mathrm dt = \int\limits_{0}^1 (t-\overline {t})^2\, \mathrm dF(t) = \int\limits_{0}^1 t^2\, \mathrm dF(t) - \overline {t}^2 = 2 \int\limits_{0}^\infty t(1-F(t)) \, \mathrm dt - \overline {t}^2 \qquad (14)$

[modifier] Injection par impulsion

Cette méthode d'injection consiste à introduire tout le traceur sur un intervalle très court à l'entrée du réacteur de manière à s'approcher de la fonction de Dirac. Dans la pratique, la durée de l'injection doit être petite en comparaison du temps de séjour moyen. La concentration du traceur en sortie du réacteur est mesuré et est divisée par la concentration virtuelle C₀ (définie par le nombre de mole du traceur n₀ injecté divisé par le volume du réacteur) pour obtenir la courbe adimensionnelle C qui est comprise entre 0 et 1: C = C(t)/C₀.

Par un bilan de matière, on obtient:

$E(t) = \frac {\dot V}{n_{0}} \cdot C(t) = \frac {1}{\tau} \frac {C(t)}{\bar C_{0}} = \frac {1}{\tau} \mathbf{C} \qquad (15)$

[modifier] DTS des réacteurs idéaux

[modifier] Réacteur tubulaire idéal

Le réacteur tubulaire idéal n'a qu'une fonction retardatrice et ne change pas le signal d'entrée. Pour une injection par impulsion, on obtient le même signal à la sortie après un certain temps qui correspond au temps de séjour moyen.

$E(t) = \delta(t-\bar t) \qquad (16)$

Le même raisonnement peut être appliqué à l'injection échelon.

[modifier] Réacteur parfaitement mélangé

Si l'on introduit dans un réacteur parfaitement mélangé une impulsion de n₀ moles de traceur, le système va instantanément atteindre la concentration moyenne maximale

$C_{0,t = 0} = \frac {n_0}{V} \qquad (17)$

L'évolution de la concentration en fonction du temps peut alors être déduite par l'intégration du bilan de matière donné par l'équation (18) où la variation de la quantité de traceur dans le réacteur est égale à la quantité de traceur qui quitte le réacteur :

$V \cdot \frac{dC(t)}{dt} = -Q \cdot C(t) \qquad (18)$

ce qui donne

$\frac {C(t)}{C_0} = exp(-\frac {t}{\tau}) \qquad (19)$

[modifier] Réacteur tubulaire à écoulement laminaire

Le réacteur tubulaire à écoulement laminaire est un cas particulier du réacteur tubulaire avec un comportement hydrodynamique connu et bien défini, ce qui permet d'en prédire la distribution de séjour. La différence de temps de séjour des éléments de volume dans le réacteur est la conséquence du profil de vitesse parabolique (Ecoulement de Poiseuille). Dans un filet de fluide de position radiale constante, chaque particule traverse le réacteur sans être influencée par les autres.

La vitesse dans un tube ayant un écoulement laminaire est fonction de la position dans le tube

$u = u_{max} \cdot (1-\frac{R^{2}}{R_{0}^{2}}) \qquad (20)$

où $u m a x$ est la vitesse au centre du tube et $\bar u$ la valeur moyenne sur la section $(\bar u = \frac{Q}{\pi \cdot R^2})$ . La relation entre ces 2 vitesses est $u_{max}= 2 \cdot \bar u$ .

Le temps de séjour d'un élément de volume qui se trouve dans un filet de fluide donné vaut ainsi:

$t = \frac{L}{u} = L \cdot (u_{max} \cdot (1-\frac{R^{2}}{R_{0}^{2}}))^{-1} = \frac{t_{min}}{(1-\frac{R^{2}}{R_{0}^{2}})} \qquad (21)$

avec $t_{min} = \frac{L}{u_{max}} = \frac{\tau}{2}\qquad (22)$

La fraction du flux qui se trouve dans la position $R + d R$ avec une vitesse $v + d v$ qui a un temps de passage $t + d t$ se calcule avec la relation suivante:

$E(t)dt = \frac{dQ}{Q} = \frac{u \cdot 2 \cdot \pi \cdot R dR}{\pi \cdot R_{0}^{2} \cdot \bar u} = \frac {2 \cdot u \cdot RdR}{\bar u \cdot R_{0}^{2}} \qquad (23)$

Pour obtenir la relation entre dt et dR, on utilise l'équation (21) et par dérivation, on a

$dt = \frac {2 \cdot R \cdot t_{min}}{R_{0}^{2} \cdot (1-\frac{R^{2}}{R_{0}^{2}})^2}dR = \frac {2}{R^2_{0} \cdot t_{min}} \cdot \left\{\frac{t_{min}}{(1-\frac{R^{2}}{R_{0}^{2}})}\right\}^2 \cdot RdR= \frac {2 \cdot t^2}{R^2_{0} \cdot t_{min}} \cdot RdR \qquad (24)$

Et en utilisant la dérivée (24) et la relation (22), on peut simplifier l'équation (23)

$E(t)dt = \frac {2 \cdot u}{\bar u \cdot R_{0}^{2}} \cdot \frac{R^2_{0} \cdot t_{min}}{2 \cdot t^2}dt = \frac {2 \cdot L \cdot t_{min} \cdot t_{min}}{L \cdot t \cdot t^2}dt = \frac {\tau^2}{2 \cdot t^2}dt \Rightarrow E(t) = \frac {\tau^2}{2 \cdot t^2} \qquad (25)$

[modifier] Modèles des réacteurs réels

Les réacteurs réels présentent des déviations plus ou moins importantes par rapport aux modèles. Ceci peut poser des problèmes pour le dimensionnement des réacteurs ou l'optimisation des conditions opératoires. Pour identifier ces déviations, une comparaison de la distribution de temps de séjour d'un réacteur avec les modèles est nécessaire et permet de définir les modifications à apporter pour corriger la non-idéalité ou pour apporter un facteur de correction pour les calculs de dimensionnement.

On distingue 2 grandes causes de déviations: les zones mortes, espaces du réacteur dont le contenu ne se mélange pas ou très peu avec le flux traversant le réacteur, et les court-circuits, canaux ou chemins qui permettent au flux de traverser le réacteur sans se mélanger au contenu du réacteur.

[modifier] Détection des non-idéalités pour le réacteur continu

Les équations décrivant l'hydrodynamique d'un réacteur continu à une impulsion d'un traceur sont les suivantes

$C(t)=C_0 \cdot e^{-\frac{t}{\tau}}$

$E(t)=\frac{1}{\tau} \cdot e^{-\frac{t}{\tau}}$

$F(t)=1-e^{-\frac{t}{\tau}}$

avec τ le temps de passage.

a) Cas idéal

b) Cas avec court-circuit

c) Cas avec zone morte

[modifier] Détection des non-idéalités pour le réacteur tubulaire

Théoriquement le réacteur tubulaire ne modifie pas le signal, il ne fait que le retarder.

a) Cas idéal

b) Cas avec court-circuit

c) Cas avec zone morte

[modifier] Références

R.B. MacMullin and M. Weber, « The theory of short-circuiting in continuous-flow mixing vessels in series and kinetics of chemical reactions in such systems », dans Transactions of American Institute of Chemical Engineers, 31, p. 409–458
P.V. Danckwerts, « Continuous flow systems. Distribution of residence times. », dans Chemical Engineering Science, 2, p. 1–13
Levenspiel, Octave (1999). Chemical Reaction Engineering, 3rd ed., John Wiley & Sons. ISBN 047125424X.
H. Scott Fogler, Elements of chemical Reaction Engineering, Pearson International Edition (ISBN 0-13-127839-8)