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Cours Les réacteurs chimiques Dr. TERKHI Sabria Université Abdelhamid Ibn Badis

Cours Les réacteurs chimiques Dr. TERKHI Sabria Université Abdelhamid Ibn Badis Mostaganem Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie des Procédés Matière: Les réacteurs chimiques A- Réacteurs Homogènes Chapitre 1 : Classification des réacteurs chimiques : -Réacteur fermé parfaitement agité (RFPA); -Réacteur continu parfaitement agité (R.C.P.A) ; - Réacteur continu tubulaire à écoulement piston (RP). Chapitre 2 : Stœchiométrie : Notion de taux de conversion ; Notion d’avancement ; Cas d’une réaction unique ; Cas de plusieurs réactions. Chapitre 3: Bilans matière dans les réacteurs idéaux –Réaction unique : R.F.Parfaitement agité ; RPAC en régime permanent ; RP en régime permanent. Chapitre 4 : Etude des réacteurs chimiques homogènes isothermes à une réaction : 1-R.F.P.A ; R.C.P.A ; R.P ; 2- Association de réacteurs chimiques : série / parallèle 3- Performances comparées des réacteurs idéaux. Chapitre 5 : Etude des réacteurs chimiques homogènes isothermes à plusieurs réactions. Chapitre 6 : Bilans matières dans les réacteurs idéaux-Plusieurs réactions : Réactions irréversibles consécutives ; Réactions compétitives. Chapitre 7 : Notions Bilans thermiques dans les réacteurs idéaux Matière: Les Réacteurs chimiques B- Réacteurs hétérogènes Chapitre 8 : Réactions catalytique Chapitre 9 : Réacteurs fluide/solide réactif - Modèle de consommation de particules solides - Calcul de réacteurs gaz/ solide consommable. -Exemples d’applications Chapitre 10 : Réacteurs catalytiques - Régimes de fonctionnement d’un grain de catalyseur - Modèles de réacteurs catalytiques : lit fixe, lit fluidisé, lit mobile -Exemples d’applications Chapitre 11 : Réacteurs à deux phases fluides - Régimes de fonctionnement des réactions fluide/fluide - Dimensionnement des réacteurs gaz/liquide - Exemples d’applications Références bibliographiques [1] O. Levespiel, «Chemical reaction engineering », Wiley,1972. [2] G. Antonini, Benaim, « Génie des réacteurs et des réactions ». Nancy 1991. [3] Trambouze, « Les réacteurs chimiques, Conception » [4] J. Villermaux, « Génie de la réaction chimique, Conception et fonctionnement des réacteurs », Edition Technique et Documentation. 1982 [5] Daniel Schweich, Génie de la réaction chimique. [6] Hong H. Lee, Heterogeneous Reactor Design. [7] Andrzej Cybulski, Structured Catalysts and Reactors. [8] O. Levinspiel, chemical reaction engineering, 3 ème edition. [9] G. Froment and K.B. Bischoff, Chemical reactor, analysis and design. [10] R.W.Missen, Chemical reaction engineering and kinetics. [11] Bruce Nauman, Handbook of Chemical Reactor Design, Optimization, and Scaleup. Chapitre 1. Classification des réacteurs chimiques Les techniques industrielles sont classés en : opérations unitaires : la base est un(des) phénomène(s) physique(s) (séparation, transfert chaleur, agitation, réduction de taille …) réacteurs : la base est la réaction (transformation de la matière) • chimique, • biochimique, • électrochimique … (Dans la pratique, dans un grand nombre d’équipements on retrouvera les deux) Procédé Mis en œuvre des techniques permettant d’obtenir un produit à l’échelle industrielle  dans la quantité requise  avec la qualité requise à partir de matières premières, de l’énergie et d’informations. Procédé : un moyen pour atteindre un objectif concret Définition d’un réacteur chimique Un réacteur chimique est toute portion de l’èspace où peu se déroulé une transformation chimique. Le réacteur constitue le cœur des unités de fabrications chimiques. Données thermodynamiques et cinétique sur la réaction. Données hydrodynamique: circulation et mise en contacte des phases. Entrée Sortie Début d’opération Fin d’opération Nature des produits, taux de conversion des réactives, rendements…. Paramètres opératoires: Natures des réactifs, P, T, Concentrations, Débits, temps de séjours. Données de transfert de matière, de chaleur , de quantité de mouvement Structure géométrique du réacteur Fig 1. Facteurs gouvernent le fonctionnement d’un réacteur chimique Classification des réactions et des réacteurs chimiques Tableau 1. Classification des transformations chimiques Critère Types de réactions Exemples industriels Phases gazeuse (G), liquide (L), ou solide (S) Phases en présence Homogène (1phase) Chloration de l’éthylène Vapocraquage Hétérogènes 2phases 3 phases Absorption de CO2 dans les éthanolanines (G/L) Hydrodésulfuration d’une coupe pétrolière (G/L/S) Stœchiométrie A stœchiométrie simple Synthèse de SO3, de NH3 A stœchiométrie multiple Chloration du benzène Equilibre Irréversibles dans les conditions opératoires. Polymérisation de styrène Equilibrées dans les conditions opératoires Synthèses du méthanol, de l’urée Thermicité ΔH=0, ΔH>0, ΔH<0 Estérification de l’éthanol,…. Tableau 2. Classification des réacteurs chimiques Critère Type de réacteur Exemples industriels Circulation du mélange réactionnel Réacteur fermé (pas d’échange de matière avec l’extérieur) Polymérisation en discontinu, chimie fine Réacteur semi-fermé(une partie de la charge est ajoutée ou extraite en cours d’opération) Chlorations organiques de produits en faible tonnage Chimie de spécialité. Réacteur ouvert (la charge circule dans le réacteur) Synthèses et traitements des intermédiaires pétrochimiques de gros tonnage. Evolution dans le temps Fonctionnement en régime transitoire Opérations discontinues Démarrage des réacteurs continus Fonctionnement en régime permanent Marche continue des réacteurs ouverts Critère Type de réacteur Exemples industriels Degré de mélange des substances en réactions Réacteur parfaitement agité (composition uniforme, mélange parfait) Sulfonations, nitrations, polymérisations Réacteur en écoulement piston (progression de la charge en bloc sans mélange entre tranches successives) Réacteurs catalytiques tubulaires à lit fixe Réacteurs tubulaires homogènes en régime turbulent Mise au contact des phases à cocourant Hydrodésulfuration catalytique à contre-courant Absorption réactive d’un gaz dans un réacteur à ruissellement. Dépollution à courants croisés Combustion du charbon sur sol à bande transporteuse Le réacteur : siège de la réaction Fermé Ouverts Avantages Adapté au traitement des solides, liquides, gaz, pâtes Multifonctionnel (productions périodiques, saisonnières) Inconvénients Le fonctionnement par charges implique une grande manutention, donc, un rendement global faible : charge – réaction – vidange – nettoyage Qualité finale pouvant varier Avantages Qualité final constante Automatisation possible Faible coût de fonctionnement Inconvénients Peu adaptés aux solides et pâtes Source : P. TRAMBOUZE, Réacteurs Chimiques. Technologie. Techniques de l’Ingénieur, Génie des Procédés J4020. Chapitre 2. Stœchiométrie : Notion de taux de conversion ; Notion d’avancement ; Cas d’une réaction unique ; Cas de plusieurs réactions. ? RF Chapitre 2. Stœchiométrie : Notion de taux de conversion ; Notion d’avancement ; Cas d’une réaction unique ; Cas de plusieurs réactions.  Définir les grandeurs permettant de décrire quantitativement l’état d’un mélange qui est siège d’une transformation chimique. Objectif  Ces notions s’appliquent essentiellement à une phase bien définie (gazeuse, liquide, solide). I.1. Composition d’une phase isolée Considérons une phase isolée dans laquelle a lieu une transformation chimique. Pour définir l’état de cette phase, il nous connaître : La température T ; La composition chimique. La pression P ; En tous points Dans un système fermé (sans échange de matière avec le milieu extérieur) soit : m : la masse du système V : le volume instantané du système La composition, supposée uniforme, peut être repérée par : Les nombres de moles nj des constituants Aj (n1, n2, ……, nj, ….., ns) et le nombre de moles des inertes nI. Les masses des constituants mj = nj Mj et mI. Les concentrations molaires volumiques •Les concentrations molaires massiques •Les titres molaires Désignons par : où •Les masses volumiques partielles •Les titres massiques •Dans une phase gazeuse, on utilise aussi les pressions partielles Pj. Exemple pour un gaz parfait Note: En génie chimique, on utilise essentiellement les grandeurs molaires, étant donné que les réactions chimiques mettent en jeu des transformations de molécules. •A1, A2, …... Aj,….As les constituants chimiques qui participent aux réactions (constituants actifs) •AI les constituants inertes qui ne réagissent pas (gaz inertes, solvants). Etat de référence Il est commode de rapporter l’évolution de la phase réactionnelle à un état de référence choisi arbitrairement sous la pression P0 à la température T0 . Exemple : : le nombre de moles du constituant j à l’état de référence : (invariable) à l’état de référence notamment (inertes).  L’état de référence peut être l’état initial de la phase, mais ceci n’est pas obligatoire. Il peut être choisi, comme en thermodynamique, dans des conditions hypothétiques où la phase ne se trouvera effectivement jamais (par exemple les conditions normales de température et pression, dites TPN). Autres grandeurs importantes : •Le nombre total de moles de constituants actifs à l’état de référence Les pseudo-titres molaires partiels: qui sont des grandeurs fictives ne tenant pas compte de la variation du nombre total de moles •Le rapport des inertes dans l’état de référence : dû aux réactions, ni de la présence des inertes. On introduit quelquefois des densités de flux massiques ou débits massiques spécifiques rapportés à l’unité de section droite Grandeurs relatives à l’écoulement En l’absence de diffusion, on définit les grandeurs instantanées suivantes : •Le débit volumique (ou flux) La densité de flux I.2. Description d’une phase en écoulement convectif  Considérons maintenant un mélange (phase réactionnelle) en écoulement à travers une section droite fixe . Ω n’est que la vitesse linéaire d’écoulement. •Le débit massique (ou flux) (= G pour une phase gazeuse, L pour une phase liquide). . •Les débits molaires (ou flux) : nombre de moles traversant la section droite  dans l’ unité de temps. Fj le débit molaire du constituant Aj. FI le débit molaire des inertes. F débit molaire de mélange (ou total). •Débits massiques des constituants ou des inertes  Les calculs des flux pour un constituant (composé) est toujours le produit de la concentration de l’espèce dans un courant par le débit du courant, uploads/Finance/ cours-reacteurs-chimiqueschapitre-1-et-2.pdf