Réacteurs chimiques

Réacteur (chimie)

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En chimie, un réacteur est une enceinte ou récipient apte à la réalisation et l'optimisation de réactions chimiques et généralement de procédés de transformation de la matière (génie des procédés). Le but recherché dans un réacteur est l'homogénéité de la masse réactionnelle du point de vue de la température et du mélange des réactifs.

Par exemples :

cuve : réacteur ouvert à l'atmosphère permettant de faire une transformation chimique,
bioréacteur : réacteur permettant de faire une transformation biologique. Dans le cas d'une fermentation, on utilise aussi le terme de fermenteur.
grignard : réacteur permettant de travailler sous légère pression ou dépression,
autoclave : réacteur permettant de travailler sous forte pression.

En fonction des limitations imposées par la sécurité, la thermodynamique ou la cinétique, l'ingénieur-chimiste est chargé de dimensionner le réacteur afin d'optimiser la performance du procédé. Comme il n'est pas possible d'obtenir une conversion de 100% des réactifs, un bon dimensionnement permet de réduire les coûts de séparation et de réduire la quantité de déchets.

Sommaire

1 Généralité
2 Réacteurs idéaux
3 Autres réacteurs
- 3.1 Réacteur avec recyclage
- 3.2 Cascade de réacteurs
4 Réacteurs non idéaux

Généralité

Il existe des réacteurs de toutes tailles et de toutes formes. Dans les procédés continus, le réacteur est en général construit sur mesure, en fonction des spécificités de la réaction. Dans les procédés batch, on utilise des réacteurs polyvalents normés.

Les réacteurs sont construits en acier inoxydable (le plus courant), en émail (pour des réactions avec des acides ou autres produits corrosifs), voire en titane ou en hastelloy pour des réactions particulièrement corrosives.

La structure générale des réacteurs est une cuve avec un système de contrôle de température. Il existe différentes configurations pour le contrôle de température : un manteau situé tout autour de la cuve où circule le fluide caloporteur, le demi-tube soudé autour de la cuve où circule de manière forcée le fluide caloporteur, l'échangeur de chaleur interne (serpentin placé dans la cuve et l'échangeur de chaleur externe (le mélange réactionnel de la cuve est pompé à l'extérieur de la cuve, passe dans un échangeur de chaleur, puis est renvoyé dans la cuve).

Dimensions générales pour réacteur en inox construit selon normes DIN 28136

Volume nominal	Volume de travail max.	Volume total	Poids à vide	Surface d'échange (manteau)	Surface d'échange (demi-tube)
63	87.5	100	350	0.63	-
100	126	138	400	0.86	-
160	198	218	450	1.2	-
250	330	363	750	1.48	1.1
400	465	512	900	2.04	1.63
630	800	900	1100	2.73	2.05
1000	1380	1550	1400	3.86	2.93
2500	3265	3665	2300	7.64	6.0
10000	10815	12160	6000	22.0	13.5
16000	18980	21120	8000	32.0	20.0

Volume en litre, poids en kg et surface d'échange en m². Le poids est donné pour réacteur avec double manteau (63-2500 L) respectivement pour réacteur avec demi-tube (10000-16000 L). Le poids à vide concerne les réacteurs avec leur équipement (senseur, agitateur,...). Valeurs indicatives selon DIN 28136.

Réacteurs idéaux

Dans le domaine du génie chimique, on trouve 3 grandes classes de réacteurs:

le réacteur continu ou ouvert
le réacteur "batch", appelé également réacteur fermé ou discontinu
le réacteur à écoulement piston

Un réacteur hybride existe encore, le réacteur semi-fermé ou "fed-batch", qui se situe entre le réacteur fermé et le réacteur ouvert. Ces réacteurs sont appelés aussi réacteurs idéaux, car ils servent de modèle de base pour le design de procédés chimiques. Ils sont définis par un certain nombres d'hypothèses qui facilitent la modélisation du procédé.

Réacteur continu

Les hypothèses liées au modèle du réacteur continu (en anglais CSTR: continuous stirred tank reactor) sont les suivantes:

mélange homogène au niveau moléculaire
température homogène du milieu
volume et densité constants (débit d'entrée = débit de sortie)
concentrations et température du flux de sortie sont les mêmes que celles dans le réacteur

Il satisfait au bilan suivant: ENTREE + SOURCE + PUITS = SORTIE

Un tel bilan est dit stationnaire (propriété du réacteur continu après sa phase de démarrage), c.-à-d. que la température ainsi que les concentrations des composants du milieu ne changent pas avec le temps. Mathématiquement cela donne

bilan de matière:

bilan d'énergie:

Avantages: Peu de variation dans la qualité d'un produit sur une longue période de temps. Haute performance. Bon pour des études cinétiques. Travaille à des faibles concentrations de réactifs (meilleure sécurité, meilleure conversion pour des ordres de réactions inférieurs à 1 ou en cas d'inhibition par le substrat).

Désavantages: Moins bonne convertion pour des ordres de réactions supérieurs à 1 ou en cas d'inhibition par le produit. Nécessite un excellent contrôle des flux (entrée et sortie). Ne permet pas des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires.

Réacteur discontinu

Les hypothèses liées au modèle du réacteur discontinu (en anglais "batch") sont les suivantes:

mélange homogène au niveau moléculaire
température homogène du milieu
volume constant (débit d'entrée = débit de sortie = 0)

Il satisfait au bilan suivant: SOURCE + PUITS = ACCUMULATION

Un tel bilan est dit transitoire, c.-à-d. que les concentrations des composants du milieu changent avec le temps. La température peut rester constante (réacteur isotherme) ou non. Mathématiquement cela donne

- Bilan de matière: $V \cdot \frac{dC_{i}}{dt} = R_{i} \cdot V$

- Bilan d'énergie (3 possibilités):

mode polytropique: $m \cdot C_{p} \cdot \frac{dT}{dt} = U \cdot A \cdot (T_{manteau}-T_{reacteur}) + R \cdot -\Delta_{r}H \cdot V$

mode isotherme: $0 = U \cdot A \cdot (T_{manteau}-T_{reacteur}) + R \cdot -\Delta_{r}H \cdot V$

mode adiabatique: $m \cdot C_{p} \cdot \frac{dT}{dt} = R \cdot -\Delta_{r}H \cdot V$

Avantages: Installation simple et offrant une très grande polyvalence. Permet des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires (notamment changement de la temperature).

Désavantages: Travaille à des concentrations de réactifs élevées au début de la réaction (problème de sécurité, moins bonne convertion en cas d'inhibition par le substrat). Nécessite un temps mort entre chaque opération (vidange, nettoyage, remplissage) qui nuit à la performance.

Réacteur à écoulement piston

Les hypothèses liées au modèle du réacteur piston (en anglais PFTR: Plug Flow Tubular Reactor) sont les suivantes:

le mélange radial est considéré comme parfait
l'écoulement est de type piston
la densité constante
pas de mélange axial

Il satisfait au bilan suivant: ENTREE + SOURCE + PUITS = SORTIE

Le réacteur est considéré à l'état stationnaire, mais possède un profil de température et de concentration en fonction de son axe. On considère non pas le réacteur dans sa totalité, mais on le divise en fine tranche (rondelle ou tranche de salami ;-), ce qui permet d'écrire

bilan de matière: $\frac{dC_{i}}{dt} = R_{i}$ pour une tranche d'épaisseur dL et de volume dV

bilan d'énergie: $\dot m \cdot C_{p} \cdot \frac{dT}{dV} = U \cdot dA \cdot (T_{manteau}-T_{reacteur}) + R \cdot -\Delta_{r}H$

Avantages: Peu de variation dans la qualité d'un produit sur une longue période de temps. Haute performance.

Désavantages: Nécessite un excellent contrôle des flux (entrée et sortie).

Réacteur à lit fixe

Le réacteur à lit fixe est un type de réacteur à écoulement piston. Il est principalement utilisé pour des réactions catalytiques hétérogènes en phase gazeuse: la réaction a lieu à la surface d'un catalyseur solide, les réactifs et les produits étant des gaz. Le catalyseur est déposé à la surface de supports inertes (grilles métalliques ou éléments en silice) qui forment une structure fixe (lit fixe) placé dans le réacteur. Les réactifs circulent dans le réacteur autour des éléments du lit (voire dans les éléments du lit si ce dernier est constitué d'éléments poreux) et réagissent à la surface de ce dernier avec le catalyseur.

Réacteur semi-continu

Le réacteur semi-continu (fed-batch en anglais) est très semblable au réacteur discontinu. Le principal changement provient du fait que le volume change durant la réaction. Les principales hypothèses du modèle sont ainsi

mélange homogène au niveau moléculaire
température homogène du milieu

Il satisfait au bilan suivant: ACCUMULATION = ENTREE + SOURCE + PUITS

- Bilan de matière: $V \cdot \frac{dC_{i}}{dt} = R_{i} \cdot V + \dot V \cdot C_{i,entree}$

- Bilan d'énergie (3 possibilités):

mode polytropique: $m \cdot C_{p} \cdot \frac{dT}{dt} = U \cdot A \cdot (T_{manteau}-T_{reacteur}) + R \cdot -\Delta_{r}H \cdot V + \rho \cdot C_{p} \cdot \dot V \cdot (T_{entree}-T_{reacteur})$

mode isotherme: $0 = U \cdot A \cdot (T_{manteau}-T_{reacteur}) + R \cdot -\Delta_{r}H \cdot V + \rho \cdot C_{p} \cdot \dot V \cdot (T_{entree}-T_{reacteur})$
mode adiabatique: $m \cdot C_{p} \cdot \frac{dT}{dt} = R \cdot -\Delta_{r}H \cdot V + \rho \cdot C_{p} \cdot \dot V \cdot (T_{entree}-T_{reacteur})$

- Bilan de volume: $\frac{dV}{dt} = \dot V$

Avantages: Permet un contrôle de la concentration (meilleure sécurité). Permet des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires (notamment changement de la concentration des réactifs). Meilleure convertion en cas d'inhibition par le substrat. Permet d'atteindre de très hautes densités cellulaires en biotechnologie.

Désavantages: Nécessite un excellent contrôle du flux d'entrée (danger d'accumulation des réactifs). Nécessite un temps mort entre chaque opération (vidange, nettoyage, remplissage) qui nuit à la performance.

Autres réacteurs

Réacteur avec recyclage

Il s'agit en général d'un réacteur à écoulement piston dont une partie du flux de sortie est réinjectée dans le réacteur par mélange avec le flux d'entrée. Ce type de réacteur est couramment utilisé lorsque la conversion est faible dans le réacteur.

Cascade de réacteurs

Ce type de réacteur est caractérisé par une succession de réacteurs (plusieurs réacteurs continus ou un duo réacteur continu-réacteur à écoulement piston. Le flux de sortie du premier réacteur sert de flux d'entrée au second réacteur et ainsi de suite. Cette configuration permet d'atteindre des conversions très élevés.

Réacteurs non idéaux

Dans la réalité, les hypothèses ne sont pas respectées et ceci d'autant plus si le réacteur est grand. Ainsi dans un réacteur de plusieurs milliers de litres, la température n'est pas uniforme, ce qui engendre des profils de concentrations, car la vitesse de réaction, dépendante de la température, n'est pas uniforme dans la masse réactionnelle.

Afin de mesurer l'idéalité d'un réacteur, il existe une technique, la distribution de temps de séjour (DTS). Cette technique permet, via la mesure de la concentration d'un traceur à différents endroits du réacteur, de comparer un réacteur avec les modèles ci-dessus et le cas échéant de corriger le modèle pour tenir compte des déviations.

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