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ECONOMIES D'ÉNERGIE DANS L'INDUSTRIE Les réacteurs chimiques Cahier technique n

ECONOMIES D'ÉNERGIE DANS L'INDUSTRIE Les réacteurs chimiques Cahier technique n°8 Les réacteurs chimiques occupent une place centrale dans les entreprises du secteur de la chimie et des sciences de la vie. Par la mise en présence de réactifs dans des conditions adaptées, ils permettent de combiner et de transformer par réaction(s) chimique(s) les matières premières en produits utiles. Leur rôle prépondérant est à la hauteur des besoins énergétiques nécessaires pour permettre aux réactions d’avoir effectivement lieu et ce, de manière efficace. Les importantes consommations d’électricité, de chaleur et de froid qui en découlent, représentent naturellement un poids important sur la facture énergétique et l’impact environnemental de chaque entreprise du secteur. Dès lors, il s’avère utile pour chacune d’entre elles de s’interroger sur les optimisations énergétiques éventuelles qui pourraient être mises en place au niveau de leurs réacteurs chimiques. Agir sur les variables opératoires L’optimisation du rendement d’une réaction chimique est liée à deux fac- teurs : ○ Un facteur cinétique dépendant principalement de la température, de la pression, des concentrations, du temps de séjour dans le réacteur et de l’usage éventuel d’un catalyseur ○ Un facteur d’équilibre thermodynamique dépendant principalement de la température et de la pression (pour les réactions avec variation de volume) Dans la plupart des cas, le procédé chimique mis en œuvre pour la synthèse d’un produit est figé de longue date par l’ingénierie de l’entreprise. Il semble donc a priori immuable et il est assez rare que l’on pense à remettre en cause les paramètres « process ». Toutefois, il reste généralement suffisamment de degrés de liberté à l’opérateur pour optimiser dans une certaine mesure les différentes variables opératoires dont la valeur peut avoir un impact substan- tiel sur le bilan énergétique de la réaction. Se poser la question de l'optimi- sation de ces paramètres, au démarrage mais aussi après plusieurs années de fonctionnement ou encore à l’occasion d’un nouvel investissement, peut donc toujours valoir la peine. A titre d’exemple, l’augmentation de la vitesse d’une réaction permet généralement d’engendrer une réduction de la consommation d’énergie. Pour ce faire, une augmentation de la température peut dans la plupart des cas accroître cette vitesse (facteur cinétique) mais sera défavorable à l’équilibre chimique dans le cas d’une réaction exothermique (facteur d’équilibre thermodynamique) Les variations d’un paramètre peuvent donc avoir des conséquences opposées et c’est bien un problème d’op- timisation qu’il s’agit de résoudre. CE QUE VOUS DEVEZ SAVOIR SUR LES RÉACTEURS CHIMIQUES… Réacteur chimique. Source : Vinci technologies INTRODUCTION 2 RÉACTEURS CHIMIQUES Le calcul des variables opératoires optimales tenant compte de la cinétique et des équilibres thermodynamiques des réactions est une étape cruciale et délicate. Le recours à des outils informatiques (simulation de procédé) se révèle, dès lors, fré- quemment nécessaire. Optimiser le fonctionnement des réacteurs chimiques Une fois les conditions optimales de la réaction établies, il reste toute une série d’améliorations envisageables quant au fonctionnement du réacteur, ses équipements et ses échanges d’énergie avec le milieu extérieur… Continu/Batch Mode de fonctionnement continu ou par cycle Dimensionnement Volume et forme du (des) réacteur(s) chimique(s) Chauffage/refroidissement Conception et équipements (double enveloppe, serpentins, recir- culation dans échangeurs, …) Régulation des boucles Récupération de chaleur Préchauffage des intrants Valorisation de la chaleur perdue sur un autre process Agitation Système de mélange (dynamique ou statique) Variation de la vitesse des mélangeurs Méthode d’introduction des matières premières Suppression de l’agitation Catalyse Choix du catalyseur Dimensionnement du catalyseur Equipements annexes Filtration, ... Calorifugeage Isolation des parois Agitation. Source : EKATO. 3 INTRODUCTION RÉACTEURS CHIMIQUES Fonctionner en continu ou en batch ? Cuve agitée Lit fixe Etapes de fonctionnement Réacteur tubulaire Réacteurs industriels ouverts : technologie Réacteur industriel fermé : fonctionnement Réactifs Gaz + liquide Gaz + liquide Gaz P liq B C S 0 td tf Temps Produits La production en réacteurs chimiques peut s’effectuer de manière cyclique par lots suc- cessifs de réactifs introduits et de produits extraits d’une cuve (Cycle : charge – réaction – vidange et nettoyage éventuel) ou de manière continue c’est-à-dire que l’entrée de réactifs et la sortie de produits s’effectuent en permanence. On parle respectivement de production en batch (système fermé) ou de production en continu (système ouvert). Bien que la production en batch offre davantage de souplesse dans la mesure où une même cuve peut être utilisée pour différents procédés, être mise à l’arrêt de manière plus ou moins prolongée (nettoyage, niveau de production variable dans le temps) ou encore être remplacée sans nécessiter l’arrêt complet de procédés en amont ou en aval, il convient de s’interroger sur la réelle nécessité et justification de son usage. En effet, une production en continu s’avère, dans la plupart des cas, énergétiquement et économiquement plus intéressante. Continu (système ouvert) Batch (système fermé) Avantages Meilleur rendement énergétique Faible coût de fonctionnement Qualité finale constante Automatisation possible Adapté aux solides, liquides, gaz et pâtes Souplesse d’utilisation Multifonctionnalité Inconvénients Plus sensible à la fiabilité de chaque équipement Peu adapté aux solides et pâtes Manque de flexibilité (changement de produits) Rendement global faible Coût de fonctionnement élevé Qualité finale pouvant varier Surveillance accrue OPTIMISATIONS ENVISAGEABLES SUR LES REACTEURS CHIMIQUES Source : P. TRAMBOUZE, Réacteurs Chimiques. Technologie. Techniques de l’Ingénieur, Génie des Procédés J4020 CONTINU/BATCH 4 RÉACTEURS CHIMIQUES Déterminer la taille, le design et le nombre de réacteurs Il convient de remettre en question les dimensions de la ou des cuve(s) où a lieu la réaction. Celles-ci apparaissent en effet déterminantes pour le coeffi- cient d’échange de chaleur, la facilité de mélange des réactifs et par conséquent, le temps de séjour dans le réacteur. Les consommations énergétiques sont in fine intimement liées au design ainsi qu’aux dimensions du réacteur. Les réacteurs peuvent en effet prendre des formes variées selon les phases en présence (réacteur torique, tubulaire, à bul- les,…). Démultiplier un réacteur en plusieurs petits modules peut parfois s’avérer énergétiquement intéressant mais c’est bien entendu loin d’être tou- jours le cas et une étude est donc nécessaire. A titre d’illustration suivent ici les chiffres relatifs à un procédé étudié par Pfaudler. BE12500 BE6300 (1 unité) (2 unités) Gain Coeff de transfert de chaleur [W/m²K] 476 483 1,5% Surface de transfert [m²] 25,3 33,2 31,2% Ratio surface / volume [m²/m³] 2,02 2,64 23,3% Temps nécessaire par batch [h] 2,44 1,87 23,4% Investissement [k€] 120 160 -33,3% Réacteur chimique. Source : Pfaudler (De Jonghe) 5 DIMENSIONNEMENT RÉACTEURS CHIMIQUES Réfléchir aux équipements de chauffage et refroidissement Une surface suffisante pour permettre les échanges de chaleur entre le réacteur et le milieu extérieur sera nécessaire au bon déroulement de la réaction chimique. Celle-ci servira à fournir ou absorber les calories selon qu’il faille chauffer ou refroidir le milieu réactionnel. Différents appareillages aux performances énergétiques variables peuvent être mis en jeu : ○ Double enveloppe constitutive de la paroi du réacteur ○ Echangeur serpentin disposé à l’intérieur du réacteur ○ Système de recirculation du milieu réactionnel en phase liquide (ou de condensation d’une phase vapeur) à travers un échangeur externe Double enveloppe La double enveloppe ou jaquette offre une simplicité de mise en œuvre mais la surface spécifique d’échange disponible diminue avec l’augmentation de la taille du réacteur. Pour des réacteurs cylindriques de rayon R et de hauteur h, la surface d’échange par unité de volume (hors face supérieure) est donnée par : h R R Rh 2 2 2 Π Π Π + = h R 1 2 + [m2/m3] Pour des petits réacteurs (volume de quelques m3), la surface d’échange spécifique atteint typiquement des valeurs comprises entre 2 et 3 m2/m3. Lorsque le volume du réac- teur atteint quelques dizaines de mètres cubes, la surface d’échange spécifique diminue à une valeur plus proche des 1,5 m2/m3. L’utilisation d’un demi-tube enroulé et soudé à l’ex- térieur du réacteur au lieu d’une simple double enveloppe permet d’augmenter la vitesse du fluide caloporteur et donc d’améliorer dans une certaine mesure le coefficient global de transfert de chaleur. Toutefois, le coefficient de transfert de chaleur d’un système double enveloppe reste typiquement assez faible (compris entre 50 et 400 W/m2K). OPTIMISATIONS ENVISAGEABLES SUR LES REACTEURS CHIMIQUES Echange de chaleur par demi-tube enroulé (à gauche) ou double enveloppe classique (à droite). Source : Pfaudler (De Jonghe) CHAUFFAGE & REFROIDISSEMENT 6 RÉACTEURS CHIMIQUES Echangeur interne : serpentin Pour augmenter le coefficient de transfert de chaleur, on peut avoir recours à un échan- geur disposé à l’intérieur du réacteur qui permet d’atteindre des coefficients de transfert de chaleur proches des 800 W/m2K. La surface de transfert de chaleur, bien qu’elle puisse être plus importante que pour la double enveloppe, demeure cependant limitée par la taille du réacteur. Par sa localisation interne au réacteur, ce système d’échange présente l’in- convénient d’éventuellement gêner l’agitation du milieu réactionnel ou d’être incompatible avec ce milieu. Echangeur sur Recirculation Quant au système de recirculation du milieu réactionnel à travers un échangeur externe, il permet d’offrir de plus importantes surfaces d’échanges parfois indispensables au bon déroulement de certaines réactions fortement exothermiques. Cependant, une pompe de circulation supplémentaire est nécessaire, entraînant une consommation d’énergie parfois non négligeable si la pompe tourne en continu. Double uploads/Finance/ dai-fichesureindustrie-reacteurschimiques-pdf.pdf