Ingénierie des procédés électrochimiques
François Coeuret
Ellipses
Introduction
Origines et objet de l'Ingénierie Electrochimique9
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 Electrochimique11
3- Organisation des connaissances de la I.P.T.M.E.14
Chapitre 1
Considérations générales17
1.1. Ecoulement d'un liquide le long d'une surface plane17
1.2. Ecoulement dans un canal de section rectangulaire19
1.3. Autres types d'écoulements. Modes de convection21
1.4. Flux de transport dans les milieux statiques22
1.4.1. Flux de matière par diffusion moléculaire23
1.4.2. Densité de flux de transport des trois grandeurs
extensives en milieu tranquille24
1.4.3. Loi de Newton. Viscosité25
1.4.4. Densité de flux de transport des ions en solution diluée26
1.4.5. Transport simultané des trois grandeurs extensives28
Chapitre 2
Bilans macroscopiques et microscopiques
sur des réacteurs électrochimiques31
2.1. Bilans macroscopiques31
2.1.1. Bilan macroscopique de matière32
2.1.2. Bilan macroscopique d'énergie33
2.1.3. Bilan macroscopique de quantité de mouvement35
2.2. Bilans microscopiques ou différentiels37
2.2.1. Bilan différentiel ou microscopique de conservation de la
masse globale du fluide, ou équation de continuité du fluide37
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 différentiels41
2.3. Exemple d'application des bilans différentiels43
2.4. Analyse dimensionnelle - Nombres adimensionnels46
2.4.1. Principe de l'analyse dimensionnelle46
2.4.2. Recherche des nombres adimensionnels par la
méthode de Buckingham48
2.4.3. Utilité des nombres adimensionnels50
Annexe au Chapitre 2
1. Résumé sur les vecteurs52
2. Bilans différentiels en coordonnées rectangulaires53
3. Opérations qui utilisent l'opérateur Nabla53
Chapitre 3
Transport de matière par diffusion-convection et lien
avec l'hydrodynamique55
3.1. Rappels de cinétique électrochimique55
3.1.1. Etapes limitatives possibles du processus55
3.1.2. Réaction à l'électrode. Lien entre potentiel et densité de courant56
3.1.3. Courant limite de diffusion59
3.2. Coefficient de transport de matière vers (ou depuis) les électrodes61
3.3. Nombres adimensionnels pour le transport de matière63
3.4. Ecoulements laminaires simples et permanents65
3.5. Cas des milieux électrolytiques d'hydrodynamique complexe69
Annexe au Chapitre 3 : Transport de matière au travers d'une
couche limite laminaire. Solution approchée pour le cas des liquides72
Chapitre 4
Méthode électrochimique pour la détermination des coefficients
de transport de matière - Applications75
4.1. Rappel du principe du dosage polarographique75
4.2. Détermination électrochimique de kd par la méthode électrochimique77
4.3. Application à l'échelle locale : microélectrodes82
4.3.1. Les deux «familles» de microélectrodes82
4.3.2. Cas particulier des électrodes «en paroi inerte»84
4.4. Application des microélectrodes88
Annexe au Chapitre 4 : Dosage ampérométrique des ions Fe(CN)63 -92
Chapitre 5
Réacteurs électrochimiques95
5.1. Principaux types de réacteurs électrochimiques95
5.2. Bilan de matière dans deux types de réacteurs idéaux97
5.2.1. Réacteur continu parfaitement mélangé97
5.2.2. Réacteur à écoulement piston98
5.2.3. Comparaison de ces deux réacteurs idéaux100
5.2.4. Cas d'une cascade de réacteurs parfaitement mélangés mis en série101
5.3. Effet du recyclage d'une partie du débit de sortie102
5.4. Cas de réacteurs réels - Distribution des temps de séjour104
5.4.1. Généralités104
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 mesure111
5.5. Cas particuliers112
5.5.1. Modèle des réacteurs parfaitement mélangés en série112
5.5.2. Modèle du réacteur à écoulement piston avec dispersion axiale113
5.6. Application du dernier modèle au dimensionnement de réacteurs115
5.6.1. Utilité du modèle du réacteur à écoulement piston
avec dispersion axiale115
5.6.2. Exemple de déroulement des calculs117
Chapitre 6
Réacteurs à électrodes de grande surface spécifique121
6.1. Introduction121
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 générales125
6.2.1. Configurations de référence125
6.2.2. Objet du dimensionnement des E.P.P.126
6.2.3. Matériau d'électrode et surface spécifique128
6.3. Bilan des charges électriques dans l'E.P.P.129
6.4. Cas de l'E.P.P. de type parallèle133
6.4.1. Contrôle cinétique et approximation linéaire133
6.4.1.1. Le problème qui se pose et sa solution133
6.4.1.2. Quelques commentaires136
6.4.2. Contrôle diffusionnel138
6.5. Cas de l'E.P.P. de type croisé139
6.5.1. Contrôle diffusionnel139
6.5.2. Application au dimensionnement142
6.5.3. Remarques sur le cas du contrôle cinétique145
6.6. Conclusions145
Annexe au Chapitre 6 : Procédé HULIN146
Chapitre 7
Principaux matériaux proposés pour la construction des E.P.P.151
7.1. Introduction et historique151
7.2. Cas des électrodes granulaires152
7.2.1. Evolution dans le temps des E.P.P. granulaires152
7.2.2. Cas particulier de l'électrode fluidisée154
7.2.3. Autres électrodes granulaires158
7.2.4. Conclusion sur les électrodes granulaires159
7.3. Cas des électrodes de métal déployé159
7.4. Cas des électrodes de mousse métallique161
7.5. Considérations générales pour l'utilisateur165
7.5.1. Utiliser le canal hydraulique pour y placer une E.P.P.165
7.5.2. Paramètres de dimensionnement167
7.5.3. Liste résumée de quelques paramètres importants168
7.6. Discussion relative à ces matériaux169
7.7. Autres matériaux172
Chapitre 8
Transport de matière dans les principales situations pratiques175
8.1. Introduction175
8.2. Electrodes planes parallèles176
8.3. Electrodes cylindriques coaxiales176
8.4. Promoteurs de turbulence électrochimiquement inactifs176
8.5. Matériaux du type électrode-promoteur de turbulence185
8.5.1. Electrodes simples185
8.5.2. Electrodes poreuses186
8.6. Electrode en contact avec un film ruisselant187
8.7. Electrode soumise à l'impact de jets189
8.8. Conclusions192
Chapitre 9
Eléments sur la distribution du potentiel et du courant193
9.1. Introduction193
9.2. Distribution primaire195
9.3. Distribution secondaire198
9.3.1. Définition198
9.3.2. Le nombre de WAGNER199
9.3.3. Conséquences200
9.4. Distribution tertiaire202
Chapitre 10
Du laboratoire au réacteur industriel203
10.1. Etude à micro-échelle au laboratoire203
10.2. Première étude d'Ingénierie Electrochimique204
10.3 Etude d'un mini-pilote206
10.4. Extrapolation - Etude d'un pilote industriel207
10.5. Principe de l'optimisation économique210
10.6. Conclusion212
Chapitre 11
Quelques apports récents de l'Ingénierie Electrochimique213
11.1. Pourquoi de nouveaux réacteurs électrochimiques ?213
11.2. Considérations sur le choix des réacteurs214
11.2.1. Facteurs à considérer au plan pratique215
11.2.2. Quel type d'électrode doit-on considérer ?215
11.3. Présentation succincte de quelques réacteurs originaux217
11.4. Quelques domaines ayant servi au développement de
l'Ingénierie Electrochimique220
11.4.1. La récupération des métaux220
11.4.2. Les électrosynthèses organiques221
11.4.3. Le traitement électrolytique des eaux222
11.5. Influence, sur quelques exemples, de l'apport de l'Ingénierie
Electrochimique223
11.5.1. Etude de l'irrigation des canaux dentaires sous l'effet
d'une lime en vibration224
11.5.2. Etude d'une cellule de laboratoire à auto-pompage226
11.5.3. Etude des échanges entre un fritté et le liquide qui
en remplit les pores226
11.5.4. Exemple du réacteur à film ruisselant228
Conclusion229
Exemples d'application231
Nomenclature267
Glossaire273
Bibliographie275
Index alphabétique283