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Chapitre III Absorption

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Chapitre I : Absorption et désorption Dr. F.

AHMEDCHEKKAT

Chapitre I : Absorption et désorption


I.1 Généralités
L’absorption consiste à un transfert d’un ou plusieurs constituants d’un gaz (ou d’une
vapeur) dans un liquide. La récupération, souvent nécessaire, de la substance qui s’est
dissoute dans le liquide est appelée désorption.
L’absorption se réalise en mettant en contact le gaz contenant le soluté et le solvant pendant
tout le temps nécessaire au transfert, c’est à dire jusqu’à ce que le temps d’équilibre de
concentrations entre les deux phases soit atteint.
Les processus de dissolution d’un gaz dans un liquide sont de nature physique ou chimique.

Absorption physique : C’est une dissolution physico-chimique faisant appel aux


phénomènes de solubilité gaz-liquide sans qu’il y ait aucune transformation chimique de
constituants.

Absorption chimique : elle correspond à la dissolution d’un soluté dans un liquide avec
formation d’un composé chimique plus ou moins stable

I.2 Terminologie
Le soluté ou absorbât : est le gaz (ou vapeur) contenu dans le gaz porteur, que l’on doit
extraire par dissolution dans le liquide.
Le diluant ou inerte : est le gaz (ou vapeur) mélangé au soluté. Il est souvent insoluble ou peu
soluble dans le solvant.
Gaz riche : le mélange diluant-soluté.
Gaz épuisé : le gaz dépourvu du soluté.
L’absorbant ou solvant : est le liquide destiné à dissoudre le soluté.
Solution riche : est la solution obtenue par dissolution du soluté dans le solvant.

I.3 Notions théoriques

Loi d’HENRY : «  A l’équilibre, la pression partielle d’un gaz au dessus d’un liquide dans
lequel le gaz est soluble est proportionnelle à la teneur du gaz dans le liquide ».
p=H c . C ou p=H x . x

p : pression partielle du soluté dans la phase gazeuse (atm) ;


C : concentration du soluté dans la phase liquide ;
x : titre molaire du soluté dans la phase liquide ;

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H c ou H x : Constante d’HENRY .
En tenant compte de la loi DALTON :
p= y . Pt
Cette relation est valable pour les gaz parfaits.
p : pression partielle du soluté dans la phase gazeuse (atm) ;
y : titre molaire du soluté dans la phase gazeuse ;
Pt  : pression totale du système.
En égalant les deux expressions de la pression partielle, on a :
' Hx .x
H x . x= y . Pt d où y=
Pt
Hx
En posant : m=
Pt
On obtient : y=m. x

C’est une droite de pente m passant par l’origine, elle est utilisée parfois pour tracer la courbe
de distribution.
m : joue le même rôle que le coefficient de partage dans l’extraction liquide-liquide.
Cette loi s’applique à des solutions très diluées de gaz dans un liquide et à de faibles pressions
partielles de gaz.

Loi de RAOULT : « A température constante, pour un gaz parfait en équilibre avec une
solution idéale, la pression partielle du soluté dans la phase gazeuse est égale au produit de
la pression maximale de vapeur du soluté par son titre molaire dans la solution ».

p=x . P 0

En tenant compte de la loi DALTON, la formule se transforme en :

P0
  y= .x
Pt
P0
Cette formule permet de tracer la courbe de distribution, laquelle est une droite de pente
Pt
passant par l’origine.
La loi de RAOULT est une loi limite valable pour les mélange parfaits ou idéaux (constitués
de corps de structures voisines).

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I.4 Absorption à contre courant


Cette opération est très utilisée industriellement. Il existe plusieurs manières de réaliser un
système d’absorption à contre courant.

I.4.1 Différents mode d’absorption à contre courant


I.4.1.1 Absorption discontinu à contre courant
Consiste à faire cheminer dans l’absorbeur le gaz riche en absorbant en sens inverse du
liquide. Le gaz à traiter arrive ainsi à une extrémité de l’appareil où sort la solution riche en
soluté tandis que le gaz épuisé quitte l’autre extrémité de l’absorbeur par laquelle pénètre
aussi le solvant. Lorsque le solvant est saturé en composants absorbables, en le remplace avec
un solvant neuf.

Gaz épuisé Solvant

Gaz riche Solution riche

Figure I.1 : colonne d’absorption à contre courant discontinu.

I.4.1.2 Absorption à recirculation de liquide


Comme pour les extractions, l’absorption à contre –courant exige moins de solvant que
l’absorption à co-courant surtout lorsqu’on recycle une partie de la solution. Dans ce genre de
système, la solution riche en absorbant s’écoulant de la colonne est mélangée à du solvant
d’appoint et constitue une solution peu riche en absorbât ; celle-ci est réintroduite en partie
dans la colonne (figure I.2).

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Gaz épuisé

Solution peu riche


Gaz riche solution riche
Appoint de solvant

Figure I.2 : Colonne d’absorption avec recirculation de liquide.

La fraction non recyclée de solution peu riche peut être rejetée, ou régénérée. On peut encore
envoyer cette solution dans une autre colonne où elle sert de solvant (figure I.3). Le dispositif
correspondant à recirculation de solution avec plusieurs colonnes, réalise une absorption
méthodique avec le minimum de solvant.
Gaz épuisé

Gaz riche

solution riche
Appoint de solvant

Figure I.3 : Absorption à plusieurs colonnes avec recirculation de liquide.

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I.4.2 Relations opératoires générales

VS yS LE xE
Gaz épuisé Solvant

z
V VL L

y x

VE yE Ls xs
Gaz riche Solvant riche

Figure I.4 : Schéma du bilan de matière dans la colonne d’adsorption.

On considérera pour cette étude que le diluant ou inerte est insoluble dans le solvant et qu’il
n’ya pas de solvant entraîné dans la phase gazeuse
Bilan matière global : VE+ LE= Vs+Ls
Bilan matière global aux frontières : VE+ L= V+Ls
Bilan partiel soluté  : VE.yE+L.x= V.y+Ls.xs
L VE Ls
Équation de la droite opératoire : y= x+ yE − xs
V V V

Faible concentration :
Dans le cas des faibles concentrations, on peut considérer que les débits de gaz et de liquides
sont constants tout au long de la colonne d’absorption. Donc on a: VE=VS=V et LE=LS=L
La droite opératoire devient donc :
L L
y= ( x −x s ) + y E ou bien : y S = V ( x E −x s ) + y E
V

Pour le tracé de la droite opératoire, il suffit de connaître les caractéristiques des courants
liquides et gazeux entrant et sortant.
Si l’on suppose le débit du gaz V et sa composition (y E ,ys) connus ainsi que la composition
du solvant xE connue, la position de la droite est définie soit par le débit L , soit par xE.

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y
L
yS = ( x −x ) + y E yE
V E s
B

Courbe d’équilibre

ys H

xE xs x
Figure I.5 : Diagramme d’équilibre et droite opératoire pour l’adsorption.

Le point B, caractérisant le bas de la colonne a pour coordonnée (xS,yE), et le point H


caractérisant le haut de la colonne a pour coordonnée (xE,yS).
Pour les valeurs

Détermination du taux de solvant minimum :


Le débit de solvant n’est pas connu, alors on passe par le taux de solvant minimum pour
déterminer ensuite le taux de solvant optimal.
Pour les valeurs V, yE, ys et xE fixées, la valeur de xs augmente quand le débit de solvant
diminue. Le rapport L/V ne peut pas s’abaisser sous une valeur minimum correspondant à la
pente de droite opératoire qui coupe la courbe d’équilibre.
y
L
( ( )
  y s=
V min
( x E −x m ) + y E ) :

yE B’

ys H

xE xs xm x

Figure I.6 : Détermination du taux de solvant minimum.

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Le point B’ est l’intersection entre la courbe d’équilibre et l’horizontale qui passe par le titre
molaire d’alimentation gazeuse yE. xm est l’abscisse du point B’.

A partir du point x m, on en tire par l’équation de la droite opératoire le taux de solvant


minimum :

ys =( VL )
min
( x E−x m ) + y E
y s− y E
D’où : ( VL )min
=
x E− xm
A partir de ce taux de solvant minimum, on calcule le taux de solvant optimal par la relation

L L
suivante : ( )
V opt
=K. ( )V min

De la droite opératoire, on trouve, le titre molaire du liquide en sortie xs


y S− y E
x S =x E −
( VL )
opt

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 déterminer graphiquement le nombre de plateaux théoriques :
y

yE B

ys H 1

xE xs x
Figure I.7 : Détermination du nombre d’étage théorique.

Forte concentration :
Dans ce cas les éléments qui restent constant tout au long de la colonne sont :
Le débit de solvant pur S, lié au débit de solvant par :

S= LE ( 1−x E )=L ( 1−x )=L s ( 1−x s )

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Le débit de diluant D, lié au débit de gaz par :

D=V E ( 1− y E ) =V (1− y )=V s ( 1− y s )

En effectuant les changements possibles dans l’équation de la droite opératoire, on obtient :

s (1− y) (1− y) S (1− y )


y= . . x+ yE − . .x
D (1−x) (1− y E ) D ( 1−x s ) s
Ou encore :
y s x yE S xs
= . + − .
(1− y) D (1−x) (1− y E ) D ( 1−x s )

En remplaçant les titres molaires par les rapports molaires, l’équation de la droite opératoire
devient:
s S
Y= . X +Y E − . X s
D D
Ou bien  :
s
Y= ( X− X s ) +Y E
D
On trace la droite opératoire de la même manière précédente mais dans un repère (X,Y)

I.5 Désorption
Dans la pratique industrielle, l’absorption est généralement suivie par l’opération de
désorption, laquelle est destinée à la récupération du soluté dissous dans le solvant et à la
régénération de celui-ci afin de le faire entrer à nouveau en service.
La désorption est généralement réalisée par chauffage de la solution ou par injection de
vapeur dans celle-ci circulant dans le désorbeur.
Appoint de solvant
Gaz épuisé soluté
Réfrigérant

Échangeur
Absorbeur Désorbeur

Solution riche vapeur

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Gaz riche

Figure I.8 : Processus d’absorption et désorption.

Dans le cas de la désorption la droite opératoire se trouve sous la courbe d’équilibre.

ys H

yE B

xs xE x
Figure I.9 : Diagramme d’équilibre et droite opératoire pour la désorption.

I.6. Influence de quelque paramètre sur l’absorption


1. Choix du solvant
Sélectivité de l’absorbât la plus grande possible
Faible volatilité : pour ne pas être entraîné
Faible viscosité : augmentation de la vitesse d’absorption, écoulement plus rapide
Peu corrosif
Non inflammable
Bas point de congélation
Prix peu élevé
2. Température : la solubilité d’un gaz décroît quand la température augmente.
3. Pression : la solubilité augmente avec la pression partielle du soluté.

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