Réacteur Batchmodifier
Le type de réacteur le plus simple est un réacteur batch. Les matériaux sont chargés dans un réacteur discontinu et la réaction se poursuit avec le temps. Un réacteur discontinu n’atteint pas un état stable et un contrôle de la température, de la pression et du volume est souvent nécessaire. De nombreux réacteurs en lots ont donc des ports pour les capteurs et les entrées et sorties de matériaux. Les réacteurs discontinus sont généralement utilisés dans la production à petite échelle et les réactions avec des matériaux biologiques, tels 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 cuve agitée continue)Modifier
Dans un CSTR, un ou plusieurs réactifs fluides sont introduits dans un réacteur à cuve qui est généralement agité avec une roue à aubes pour assurer un mélange correct des réactifs pendant l’évacuation de l’effluent du réacteur. En divisant le volume du réservoir par le débit volumétrique moyen à travers le réservoir, on obtient le temps d’espace, ou le temps nécessaire pour traiter un volume de fluide du 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 in doit être égal au débit massique out, sinon le réservoir débordera ou se videra (état transitoire). Alors 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 (en sortie), puisque la concentration est supposée homogène dans tout le réacteur.
- Souvent, il est économiquement avantageux d’exploiter plusieurs CSTR en série. Ceci permet par example au premier CSTR d’opérer à une concentration de réactif plus élevée et donc à une vitesse de réaction plus élevée. Dans ces cas, les dimensions des réacteurs peuvent être modifiées afin de minimiser l’investissement total en capital nécessaire à la mise en œuvre du procédé.
- On peut démontrer qu’un nombre infini de CSTRS infiniment petits fonctionnant en série serait équivalent à un PFR.
Le comportement d’un CSTR est souvent approximé ou modélisé par celui d’un Réacteur à Cuve Continue Idéalement Agitée (CISTR). Tous les calculs effectués avec les CISR supposent un mélange parfait. Si le temps de séjour est de 5 à 10 fois le temps de mélange, cette approximation est considérée comme valable 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, elle ne peut être abordée que dans des réacteurs de taille industrielle dans lesquels le temps de mélange peut être très important.
Un réacteur à boucle est un type hybride de réacteur catalytique qui ressemble physiquement à un réacteur tubulaire, mais fonctionne comme un CSTR. Le mélange réactionnel est mis en circulation dans une boucle de tube, entourée d’une chemise de refroidissement ou de chauffage, et il y a un flux continu de matière première entrant et sortant du produit.
PFR (réacteur à flux enfichable) Modifier
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 produit lorsque 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 de PFR idéalisé ne suppose aucun mélange axial: tout élément de fluide traversant le réacteur ne se mélange pas avec le fluide en amont ou en aval de celui-ci, comme l’implique le terme « écoulement en bouchon ».Des réactifs
- peuvent être introduits dans le PFR à des endroits du réacteur autres que l’entrée. De cette manière, un rendement plus élevé peut être obtenu, ou la taille et le coût du PFR peuvent être réduits.
- Un PFR a un rendement théorique plus élevé qu’un CSTR de même volume. En d’autres termes, étant donné le même espace-temps (ou temps de séjour), une réaction procédera à un pourcentage d’achèvement plus élevé dans un PFR que dans un CSTR. Cela 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 termine 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’espèces chimiques ne se produit). Le point d’équilibre de 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 les réactifs ou sous-produits restants du produit désiré. Ces réactifs peuvent parfois être réutilisés au début du 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’écoulement du bouchon est très inexacte, car le fluide circulant au centre du tube se déplace beaucoup plus rapidement que le fluide au niveau de la paroi. Le réacteur à déflecteur oscillatoire continu (COBR) réalise un mélange complet par la combinaison de l’oscillation du fluide et des déflecteurs à orifice, ce qui permet d’approximer l’écoulement du bouchon dans des conditions d’écoulement laminaire.
Réacteur Semibatchdit
Un réacteur semibatch 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 constamment du dioxyde de carbone qui doit être éliminé en continu. De même, la réaction d’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 résoudre ce problème, on peut faire barboter une alimentation continue de gaz à travers un lot d’un liquide. D’une manière générale, en fonctionnement semi-discontinu, un réactif chimique est chargé dans le réacteur et un deuxième produit chimique est ajouté lentement (par example pour éviter les réactions secondaires), ou un produit résultant d’un changement de phase est éliminé en continu, par example un gaz formé par la réaction, un solide qui précipite, ou un produit hydrophobe qui se forme dans une solution aqueuse.
Réacteurmodifier
Bien que les réacteurs catalytiques soient souvent mis en œuvre en tant que réacteurs à écoulement en bouchon, leur analyse nécessite un traitement plus compliqué. La vitesse d’une réaction catalytique est proportionnelle à la quantité de catalyseur en contact avec les réactifs, ainsi qu’à la concentration des réactifs. Avec un catalyseur en phase solide et des réactifs en phase fluide, cela est proportionnel à la zone exposée, à l’efficacité de diffusion des réactifs dans et 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 liés chimiquement 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 produit du catalyseur est également pris en compte. 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 échappements automobiles. Cependant, la plupart des réacteurs pétrochimiques sont catalytiques et sont responsables de la plupart des productions chimiques industrielles, avec des exemples de très gros volumes, notamment l’acide sulfurique, l’ammoniac, le reformate / BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylène) et le craquage catalytique fluide. Diverses configurations sont possibles, voir Réacteur catalytique hétérogène.
