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Keywords:

  • severity parameters;
  • phenomenological models;
  • kinetics;
  • time-dependent rate constant;
  • complex non-homogeneous systems

Abstract

This paper discusses a phenomenological kinetic model which describes the conversion of complex non-homogeneous systems. The model embodies the concept of a severity parameter as a descriptor of the extent of reaction of the complex system. Temperature, time and catalyst concentration are simply and conveniently regrouped in the definition of the severity parameter. The link between our model and formal kinetics can be made via a time-dependent rate constant. Such dependency expresses the concept that in a complex non-homogeneous system the chemical acts leading to reaction are first order processes constrained either by microstructural effects, diffusional limitations, geometric discontinuities, or in generic terms by fractal considerations. The observable effect is the change in reactivity with extent (or time) of reaction. Our approach permits to model such systems via a set of four key markers characteristic of the overall reaction. The development of the model, the significance of the markers and their application to the hydrolysis of lignocellulosic biomass as a case study are presented and discussed.

Cet article présente un modèle cinétique, de nature phénoménologique, qui décrit la conversion de systèmes complexes non-homogènes. Le modèle introduit la notion de paramètre de sévérité en tant que descripteur du degré d'avancement de la conversion du système complexe en produits. Les variables température, temps et concentration de catalyseur se trouvent convenablement regroupées dans la definition du paramètre de sévérité. Le lien entre notre modèle et la cinétique formelle peut se faire par voie de la dépendance de la constante cinétique avec le temps. La relation de dépendance découle de l'hypothèse que dans un système complexe non-homogène, les étapes élémentaires responsables des réactions chimiques, sont des processus de premier ordre assujettis à des contraintes microstructurelles, des limitations diffusionnelles, des discontinuités géométriques et, possiblement, des considérations d'ordre fractal. L'effet observable est le changement de réactivité avec l'avancement (c'est-à-dire, le temps) de la réaction. Notre approche permet de modéliser ces systèmes par voie de quatre indicateurs caractéristiques de la réaction globale. Le développement du modèle, l'interprétation des indicateurs et leur application au cas de l'hydrolyse des matières lignocellulosiques sont discutés.