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HAL Id: cel-02284558 https://hal.archives-ouvertes.fr/cel-02284558 Submitted on 12 Sep 2019 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Distributed under a Creative Commons Attribution - NonCommercial - ShareAlike| 4.0 International License Les réacteurs polyphasiques Veronica Belandria, Anne-Marie Billet, Marie Debacq, Olivier Lecoq, Eric Schaer To cite this version: Veronica Belandria, Anne-Marie Billet, Marie Debacq, Olivier Lecoq, Eric Schaer. Les réacteurs polyphasiques. Master. France. 2018. cel-02284558 Les réacteurs polyphasiques collection "Génie de la réaction chimique" version 1.1 janvier 2019 Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique : http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/fr/ Nombre d'ECTS : 4 Table des matières Objectifs 4 Avant-propos 5 Introduction générale 7 I - Quelques rappels avant de commencer 8 1. RAPPELS sur les milieux poreux et granulaires ........................................................................... 8 1.1. Notions de porosités ............................................................................................................................................... 9 1.2. Notion de tortuosité ............................................................................................................................................... 10 2. RAPPELS sur la catalyse ............................................................................................................ 10 2.1. Réaction chimique et catalyse .............................................................................................................................. 10 2.2. Catalyse hétérogène ............................................................................................................................................. 11 3. RAPPELS sur les phénomènes de transfert ............................................................................... 13 3.1. Transport externe autour d'un grain ..................................................................................................................... 13 3.2. Exercice : Conductance de transfert externe ....................................................................................................... 15 3.3. Transfert interne dans un grain poreux ................................................................................................................ 15 3.4. Théorie du double-film pour une interface gaz/liquide .......................................................................................... 16 4. RAPPELS sur les réacteurs idéaux ............................................................................................. 19 4.1. Réacteur parfaitement agité vs réacteur piston .................................................................................................... 19 4.2. Exercice : Avez-vous bien compris les réacteurs idéaux ? .................................................................................. 19 5. RAPPELS sur les bilans .............................................................................................................. 19 5.1. RAPPELS sur les bilans ....................................................................................................................................... 20 5.2. Exercice : Fabrication de l'oxyde d'éthylène ......................................................................................................... 20 II - Réactions et réacteurs à solide consommable 22 1. Réactions à solide consommable ................................................................................................ 23 1.1. Modèle à cœur rétrécissant .................................................................................................................................. 24 1.2. Autres modèles de réactions à solide consommable ........................................................................................... 32 1.3. Exercice : Oxydation du sulfure de zinc ............................................................................................................... 33 1.4. Exercice : Oxydation du sulfure de zinc (version alternative) ............................................................................... 34 1.5. Exercice : Identification du régime réactionnel ..................................................................................................... 34 1.6. Exercice : Contribution de la diffusion dans les cendres ...................................................................................... 35 1.7. Exercice : Réduction du trioxyde d'uranium en dioxyde ....................................................................................... 35 2. Réacteurs à solide consommable ................................................................................................ 36 2.1. Différents types de réacteurs à solide consommable et critères de choix ........................................................... 36 2.2. Modèles de réacteurs à solide consommable ...................................................................................................... 37 III - Réactions et réacteurs à catalyseur solide 47 1. Réactions à catalyseur solide ...................................................................................................... 48 1.1. JEU SÉRIEUX : à la dérive ................................................................................................................................... 49 1.2. Transport externe autour d'un grain de catalyseur ............................................................................................... 50 1.3. Diffusion de la matière dans un grain de catalyseur ............................................................................................. 51 1.4. Exercice : QUIZ réactions à catalyseur solide ...................................................................................................... 60 1.5. Exercice : Limitation par le transport externe ....................................................................................................... 63 1.6. Exercice : Analyse d'une réaction catalytique ...................................................................................................... 64 1.7. Désactivation des catalyseurs .............................................................................................................................. 65 1.8. JEU SÉRIEUX : analyse du jeu ............................................................................................................................ 65 2. Réacteurs à catalyseur solide ...................................................................................................... 67 2.1. Technologies de réacteurs à catalyseur solide .................................................................................................... 67 2.2. Dimensionnement d'un réacteur à lit fixe fluide-solide ......................................................................................... 76 IV - Réactions et réacteurs gaz/liquide 84 1. Réactions gaz/liquide ................................................................................................................... 84 1.1. Transfert gaz/liquide sans réaction chimique ....................................................................................................... 85 1.2. Exercice : TP VIRTUEL : transfert de gaz dans une cuve agitée ......................................................................... 85 1.3. Transfert gaz/liquide avec réaction chimique ....................................................................................................... 88 1.4. Régimes de réactions gaz/liquide et choix du contacteur .................................................................................... 91 2. Réacteurs gaz/liquide .................................................................................................................. 93 2.1. Quelques éléments sur les différents types de réacteurs gaz/liquide .................................................................. 95 2.2. Synthèse ............................................................................................................................................................... 97 3. Exercice : Réaction gaz-liquide en mode continu ........................................................................ 98 4. Exercice : Réaction gaz-liquide en mode discontinu ................................................................... 98 Conclusion 99 Glossaire 100 Nomenclature 101 Bibliographie 105 4 Veronica BELANDRIA, Anne-Marie BILLET, Marie DEBACQ, Olivier LE COQ et Éric SCHAER Ce module de formation est consacré à trois types de réacteurs polyphasiques : réacteurs fluide/solide (réacteurs à solide consommable) ; réacteurs fluides/solide catalytique (à catalyseur solide) ; réacteurs fluide/fluide (gaz/liquide). Il vise à : faire comprendre les processus couplés de transport et de réactions, observés dans les réactions hétérogènes ; expliquer les concepts permettant de décrire et modéliser ces phénomènes, à partir de grandeurs mesurables ; choisir et dimensionner des réacteurs pour la mise en œuvre de réactions hétérogènes. Objectifs 5 Veronica BELANDRIA, Anne-Marie BILLET, Marie DEBACQ, Olivier LE COQ et Éric SCHAER - - - - - - - - - - - - Ce module d'autoformation a été réalisé en 2017-2018 dans le cadre du projet Unit numéro 2016-7, avec le soutien financier de la . fondation Unit Cnam Lilian BEZARD, Nicole CORSYN, Marie DEBACQ, François DELASTRE, Clément HAUSTANT & Astrid ROSSO remerciements : Jérôme DUPIRE, Christophe LE NOUAIL, Stéphanie MADER & Guillaume VATAN prestataires : Loïc ALEJANDRO ( ) ; Gaël BOURHIS, Simon CHAUVIN et Romain ENSELME ( Odigi ) ; Gabriela GARCIA COVA (traductrice espagnol) Le Chant du cygne Ensiacet Anne-Marie BILLET remerciements : Henri DELMAS, Franck DUNGLAS, Carine JULCOUR et Hugues VERGNES Ensic Éric SCHAER IMT Mines Albi-Carmaux Fabien BAILLON & Olivier LECOQ MinesParisTech Laure DE LA SALLE, Alain GAUNAND, Willy MORSCHEIDT & Nicolas VION Universidad Autónoma de San Luis Potosí (Mexique) Mario MOSCOSA SANTILLÁN Université d'Orléans Veronica BELANDRIA Université Pierre et Marie Curie Isabelle MABILLE & Stéphanie OGNIER remerciements : Veronica AVALOS ROBERTTI Avant-propos 6 Veronica BELANDRIA, Anne-Marie BILLET, Marie DEBACQ, Olivier LE COQ et Éric SCHAER Les suggestions que vous pourrez faire pour améliorer ce module seront bienvenues ! marie.debacq@cnam.fr 7 Veronica BELANDRIA, Anne-Marie BILLET, Marie DEBACQ, Olivier LE COQ et Éric SCHAER Pour introduire le cas des réacteurs polyphasiques, reprenons l'histoire relatée par : Joseph LIETO* Prenons l'exemple d'une personne (M. Martin) habitant dans la banlieue lyonnaise et qui doit aller faire une course à la Préfecture de Lyon. Un observateur indépendant constatera les faits suivants. Il voit partir M. Martin à 13 heures et le voit revenir à 16 heures avec les documents préfectoraux recherchés à la main. Il déduit donc qu'il faut 3 heures pour obtenir les documents. En réalité M. Martin a passé 2 heures en voiture (transport + recherche de place de parking), 1/2 heure en marchant et enfin 1/4 d'heure d'attente pour 1/4 d'heure d'interaction avec l'administration préfectorale. La cinétique réelle (chimique) d'obtention des documents prend place durant 1/4 d'heure. Pendant le reste du temps M. Martin se «transfère» dans l'espace (cinétique physique) jusqu'au «site actif» -le guichet -. On voit donc qu'il ne faut pas confondre le temps nécessaire pour que deux réactifs se rencontrent avec le temps nécessaire pour que la réaction chimique prenne place (cassure et reformation de liaisons chimiques) une fois la rencontre effectuée. Ces deux temps caractéristiques sont à comparer dans le cadre de la compétition diffusion/réaction. On peut aussi prendre des exemples dans le domaine du génie des procédés. VIDÉO : https://youtu.be/_h7AHmVoBGA Introduction générale Quelques rappels avant de commencer 8 Objectifs L'objet de cette partie est d'apporter quelques rappels sur les notions qui seront utiles pour l'étude des réacteurs polyphasiques. Ce sera également l'occasion de préciser les notations qui seront utilisées par la suite. Lorsque l'on travaille sur les réactions et réacteurs polyphasiques, on est amené à s'intéresser à plusieurs échelles de taille, du réacteur au site actif, en passant par les grains et leurs pores. VIDÉO : https://youtu.be/KTlvF10MN_0 Échelles de travail en génie des procédés en milieu hétérogène en présence d'un solide 1. RAPPELS sur les milieux poreux et granulaires VIDÉO : https://youtu.be/ZmQlHzRRCsI Quelques rappels avant de commencer I 9 - - 1.1. Notions de porosités La porosité est définie comme : grain poreux On peut observer sur les grains différents types de pores : canaux, réseaux, "poches", pores non débouchant et rugosité de surface. On distingue : la porosité interne des grains (c'est celle qui a été illustrée précédemment), on l'appelle porosité intragranulaire et on la note ; la porosité entre les grains, appelée porosité intergranulaire et notée ; elle est de l'ordre de 0,4 pour un empilement de sphères de même taille. La porosité interne se mesure à l'aide d'un porosimètre (à mercure par exemple). Le tableau suivant donne les propriétés de quelques solides poreux. Propriétés de quelques solides poreux Définition : Porosité Attention : Porosité inter- et intragranulaire Expérience : Mesures de la porosité Exemple 10 1.2. Notion de tortuosité La tortuosité est définie par : , soit sur l'illustration suivante. tortuosité La tortuosité est généralement comprise entre 2 et 6, mais peut aller jusqu'à 65. Elle demeure difficile à estimer (il n'existe pas de "tortuosimètre"). Valeurs de porosité et de tortuosité de quelques catalyseurs commerciaux 2. RAPPELS sur la catalyse VIDÉO : https://youtu.be/3SZh7TzSTBQ 2.1. Réaction chimique et catalyse L'énergie d'activation est la quantité d'énergie nécessaire pour initier un processus chimique, le plus souvent une réaction. En effet, pour démarrer un processus, on doit uploads/Finance/ grcpolyphasique-fev2019-bis.pdf