Réacteur chimique - Chemical reactor
Un réacteur chimique est un volume clos dans lequel se déroule une réaction chimique . En génie chimique , il est généralement entendu qu'il s'agit d'une cuve de traitement utilisée pour effectuer une réaction chimique, qui est l'une des opérations unitaires classiques dans l'analyse des processus chimiques. La conception d'un réacteur chimique traite de multiples aspects du génie chimique . Les ingénieurs chimistes conçoivent des réacteurs pour maximiser la valeur actuelle nette pour la réaction donnée. Les concepteurs s'assurent que la réaction se déroule avec la plus grande efficacité vers le produit de sortie souhaité, produisant le rendement le plus élevé du produit tout en nécessitant le moins d'argent pour l'achat et l'exploitation. Les dépenses d'exploitation normales comprennent l'apport d'énergie, l'élimination de l'énergie, les coûts des matières premières , la main-d'œuvre, etc. Les changements d'énergie peuvent prendre la forme de chauffage ou de refroidissement, de pompage pour augmenter la pression, de perte de pression par friction ou d'agitation.
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Le génie des réactions chimiques est la branche du génie chimique qui traite des réacteurs chimiques et de leur conception, notamment par l'application de la cinétique chimique aux systèmes industriels.
Aperçu
Les types de base les plus courants de réacteurs chimiques sont les réservoirs (où les réactifs se mélangent dans tout le volume) et les tuyaux ou tubes (pour les réacteurs à flux laminaire et les réacteurs à écoulement piston )
Les deux types peuvent être utilisés comme réacteurs continus ou réacteurs discontinus, et l'un ou l'autre peut contenir un ou plusieurs solides ( réactifs , catalyseurs ou matériaux inertes), mais les réactifs et les produits sont généralement des fluides (liquides ou gaz). Les réacteurs des procédés continus fonctionnent généralement en régime permanent , tandis que les réacteurs des procédés discontinus fonctionnent nécessairement en régime transitoire . Lorsqu'un réacteur est mis en service, que ce soit pour la première fois ou après un arrêt, il se trouve dans un état transitoire et les principales variables de procédé changent avec le temps.
Il existe trois modèles idéalisés utilisés pour estimer les variables de processus les plus importantes de différents réacteurs chimiques :
- Modèle de réacteur discontinu ,
- Modèle de réacteur à cuve agitée en continu (CSTR), et
- Modèle de réacteur à écoulement piston (PFR).
De nombreux réacteurs du monde réel peuvent être modélisés comme une combinaison de ces types de base.
Les variables de processus clés incluent :
- Temps de séjour (τ, tau grec minuscule)
- Volume (V)
- Température (T)
- Pression (P)
- Concentrations d'espèces chimiques (C 1 , C 2 , C 3 , ... C n )
- Coefficients de transfert de chaleur (h, U)
Un réacteur tubulaire peut souvent être un lit garni . Dans ce cas, le tube ou canal contient des particules ou des pastilles, généralement un catalyseur solide . Les réactifs, en phase liquide ou gazeuse, sont pompés à travers le lit catalytique. Un réacteur chimique peut également être un lit fluidisé ; voir Réacteur à lit fluidisé .
Les réactions chimiques se produisant dans un réacteur peuvent être exothermiques , c'est-à-dire dégageant de la chaleur, ou endothermiques , c'est-à-dire absorbant de la chaleur. Un réacteur à réservoir peut avoir une enveloppe de refroidissement ou de chauffage ou des serpentins de refroidissement ou de chauffage (tubes) enroulés autour de l'extérieur de la paroi de sa cuve pour refroidir ou réchauffer le contenu, tandis que les réacteurs tubulaires peuvent être conçus comme des échangeurs de chaleur si la réaction est fortement exothermique. , ou comme des fours si la réaction est fortement endothermique .
Les types
Réacteur discontinu
Le type de réacteur le plus simple est un réacteur discontinu. Les matériaux sont chargés dans un réacteur discontinu et la réaction se déroule avec le temps. Un réacteur discontinu n'atteint pas un état stable et le contrôle de la température, de la pression et du volume est souvent nécessaire. De nombreux réacteurs discontinus ont donc des ports pour les capteurs et l'entrée et la sortie de matière. Les réacteurs discontinus sont généralement utilisés dans la production à petite échelle et les réactions avec des matières biologiques, telles que le brassage, la réduction en pâte et la production d'enzymes. Un exemple de réacteur discontinu est un réacteur sous pression .
CSTR (réacteur à agitation continue)
Dans un CSTR, un ou plusieurs réactifs fluides sont introduits dans un réacteur à réservoir qui est généralement agité avec une turbine pour assurer un mélange correct des réactifs tandis que l'effluent du réacteur est retiré. La division du volume du réservoir par le débit volumétrique moyen à travers le réservoir donne l' espace-temps , ou le temps nécessaire pour traiter un volume de fluide de réacteur. En utilisant la cinétique chimique , le pourcentage d' achèvement attendu de la réaction peut être calculé. Quelques aspects importants du CSTR :
- En régime permanent, le débit massique entrant doit être égal au débit massique sortant, sinon le réservoir débordera ou se videra (état transitoire). Pendant que le réacteur est dans un état transitoire, l'équation du modèle doit être dérivée des bilans différentiels de masse et d'énergie.
- La réaction se déroule à la vitesse de réaction associée à la concentration finale (de sortie), puisque la concentration est supposée être homogène dans tout le réacteur.
- Souvent, il est économiquement avantageux d'exploiter plusieurs CSTR en série. Cela permet, par exemple, au premier CSTR de fonctionner à une concentration de réactif plus élevée et donc à une vitesse de réaction plus élevée. Dans ces cas, les tailles des réacteurs peuvent être modifiées afin de minimiser l' investissement total en capital requis pour mettre en œuvre le procédé.
- On peut démontrer qu'un infini nombre de CSTR infiniment petit fonctionnant en série serait équivalent à un PFR.
Le comportement d'un CSTR est souvent approximé ou modélisé par celui d'un réacteur à agitation idéale continue (CISTR). Tous les calculs effectués avec les CISTR supposent un mélange parfait . Si le temps de séjour est de 5 à 10 fois le temps de mélange, cette approximation est considérée comme valide à des fins d'ingénierie. Le modèle CISTR est souvent utilisé pour simplifier les calculs d'ingénierie et peut être utilisé pour décrire les réacteurs de recherche. En pratique, il ne peut être approché que, notamment dans des réacteurs de taille industrielle dans lesquels le temps de mélange peut être très important.
Un réacteur en boucle est un type hybride de réacteur catalytique qui ressemble physiquement à un réacteur tubulaire, mais fonctionne comme un CSTR. Le mélange réactionnel circule dans une boucle de tube, entouré d'une chemise pour le refroidissement ou le chauffage, et il y a un flux continu de matière de départ entrant et sortant.
PFR (réacteur piston)
Dans un PFR, parfois appelé réacteur tubulaire continu (CTR), un ou plusieurs réactifs fluides sont pompés à travers un tuyau ou un tube. La réaction chimique se déroule au fur et à mesure que les réactifs traversent le PFR. Dans ce type de réacteur, l'évolution de la vitesse de réaction crée un gradient par rapport à la distance parcourue ; à l'entrée du PFR, la vitesse est très élevée, mais à mesure que les concentrations des réactifs diminuent et que la concentration du ou des produits augmente, la vitesse de réaction ralentit. Quelques aspects importants du PFR :
- Le modèle PFR idéalisé ne suppose aucun mélange axial : aucun élément de fluide circulant dans le réacteur ne se mélange avec le fluide en amont ou en aval de celui-ci, comme l'implique le terme « écoulement piston ».
- Des réactifs peuvent être introduits dans le PFR à des emplacements dans le réacteur autres que l'entrée. De cette manière, une efficacité plus élevée peut être obtenue, ou la taille et le coût du PFR peuvent être réduits.
- Un PFR a une efficacité théorique plus élevée qu'un CSTR de même volume. C'est-à-dire que, étant donné le même espace-temps (ou temps de résidence), une réaction se poursuivra jusqu'à un pourcentage d'achèvement plus élevé dans un PFR que dans un CSTR. Ce n'est pas toujours vrai pour les réactions réversibles.
Pour la plupart des réactions chimiques d'intérêt industriel, il est impossible que la réaction se déroule à 100%. La vitesse de réaction diminue à mesure que les réactifs sont consommés jusqu'au point où le système atteint l'équilibre dynamique (aucune réaction nette ou changement d'espèce chimique ne se produit). Le point d'équilibre pour la plupart des systèmes est inférieur à 100 %. Pour cette raison, un processus de séparation, tel que la distillation , suit souvent un réacteur chimique afin de séparer tous les réactifs ou sous-produits restants du produit souhaité. Ces réactifs peuvent parfois être réutilisés en début de procédé, comme dans le procédé Haber . Dans certains cas, de très gros réacteurs seraient nécessaires pour approcher l'équilibre, et les ingénieurs chimistes peuvent choisir de séparer le mélange partiellement réagi et de recycler les réactifs restants.
Dans des conditions d' écoulement laminaire , l'hypothèse d'un écoulement piston est très imprécise, car le fluide traversant le centre du tube se déplace beaucoup plus rapidement que le fluide au niveau de la paroi. Le réacteur à chicanes oscillatoires continues (COBR) réalise un mélange complet par la combinaison d' oscillations de fluide et de chicanes à orifices, permettant d'approcher l'écoulement piston dans des conditions d' écoulement laminaire .
Réacteur semi-batch
Un réacteur semi-batch fonctionne avec des entrées et des sorties continues et discontinues. Un fermenteur, par exemple, est chargé d'un lot de milieu et de microbes qui produit en permanence du dioxyde de carbone qu'il faut éliminer en continu. De même, faire réagir un gaz avec un liquide est généralement difficile, car un grand volume de gaz est nécessaire pour réagir avec une masse égale de liquide. Pour surmonter ce problème, une alimentation continue de gaz peut être barbotée à travers un lot de liquide. En général, en mode semi-batch, un réactif chimique est chargé dans le réacteur et un deuxième produit chimique est ajouté lentement (par exemple, pour éviter les réactions secondaires ), ou un produit résultant d'un changement de phase est éliminé en continu, par exemple un gaz formé par la réaction, un solide qui précipite, ou un produit hydrophobe qui se forme dans une solution aqueuse.
Réacteur catalytique
Bien que les réacteurs catalytiques soient souvent mis en œuvre comme des réacteurs à écoulement piston, leur analyse nécessite un traitement plus compliqué. La vitesse d'une réaction catalytique est proportionnelle à la quantité de catalyseur avec laquelle les réactifs entrent en contact, ainsi qu'à la concentration des réactifs. Avec un catalyseur en phase solide et des réactifs en phase fluide, ceci est proportionnel à la surface exposée, à l'efficacité de diffusion des réactifs à l'intérieur et à l'extérieur des produits, et à l'efficacité du mélange. Un mélange parfait ne peut généralement pas être supposé. De plus, une voie de réaction catalytique se produit souvent en plusieurs étapes avec des intermédiaires qui sont chimiquement liés au catalyseur ; et comme la liaison chimique au catalyseur est également une réaction chimique, elle peut affecter la cinétique. Les réactions catalytiques présentent souvent une cinétique dite falsifiée , lorsque la cinétique apparente diffère de la cinétique chimique réelle en raison des effets de transport physique.
Le comportement du catalyseur est également pris en considération. En particulier dans les procédés pétrochimiques à haute température, les catalyseurs sont désactivés par des procédés tels que le frittage , la cokéfaction et l' empoisonnement .
Un exemple courant de réacteur catalytique est le convertisseur catalytique qui traite les composants toxiques des gaz d'échappement des automobiles. Cependant, la plupart des réacteurs pétrochimiques sont catalytiques et sont responsables de la plupart des productions chimiques industrielles, avec des exemples de volumes extrêmement élevés, notamment l'acide sulfurique , l' ammoniac , le reformat/ BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylène) et le craquage catalytique fluide . Différentes configurations sont possibles, voir Réacteur catalytique hétérogène .