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Chapitre 1 INTRODUCTION, CLASSIFICATION ET MÉTHODES D'ÉTUDES DES SYSTÈMES RÉACT

Chapitre 1 INTRODUCTION, CLASSIFICATION ET MÉTHODES D'ÉTUDES DES SYSTÈMES RÉACTIONNELS Qu'est ce que le "génie de la réaction chimique" ? C'est une branche du génie des procédés qui traite des méthodes de mise en œuvre rationnelle des transformations de la matière et des appareils dans lesquels sont conduites les réactions : les réacteurs. En général, le réacteur ne représente pas la plus grosse part de l'investissement dans un procédé industriel. Et pourtant, ses caractéristiques de fonctionnement conditionnent les installations placées en amont (préparation des charges de réactif, choix de la température et de la pression) et les disposi- tifs placés en aval, pour la séparation des produits notamment. Une amélioration de quelques points de rendement du réacteur peut donc se traduire par un abaissement notable des coûts d'investissement et de production. En ce sens, on peut dire que le réacteur est véritablement le "coeur du procédé", qui requiert toute l'attention de l'ingénieur. La figure 1.1 indique schématiquement les principaux facteurs gouvernant le fonctionnement d'un réacteur. Ce sont d'abord les données physicochimiques sur la nature des transformations mises en jeu : vitesse des réactions, thermicité, présence d'équilibres, influence de la pression, de la tempé- rature, de l'état de dilution sur ces paramètres. Ce sont ensuite les données hydrodynamiques sur l'écoulement des phases et leur mode de mélange et de mise au contact. L'hydrodynamique est à son tour étroitement liée aux phénomènes de transfert et de transport de chaleur, de matière et de quantité de mouvement qui accompagnent les réactions. Les données de transfert à l'intérieur d'une phase, entre phases ou entre le mélange réactionnel et la paroi du réacteur, relevant de la cinétique physique, jouent un rôle aussi important que les vitesses de transformations proprement dites, qui sont du domaine de la cinétique chimique ou biologique. Bien entendu, il faut replacer l'ensemble de ces phé- nomènes dans une structure géométrique qui est celle du réacteur et qui imprime sa marque à l'hydro- dynamique et aux transferts physiques en particulier. Tous les facteurs que nous venons d'énumérer concourent à relier l'ensemble des paramètres opératoires (nature des espèces chimiques entrant dans le réacteur, pression, température, concentrations, débits et temps de séjour des phases) à l'ensemble des résultats de l'opération (taux de conversion des réactifs, nature et distribution des produits, rende- ments matériels et énergétiques). Suivant le point de vue auquel on se place, ces relations sont utili- sées dans des sens différents. Le chercheur qui étudie une transformation s'efforce de maîtriser les conditions opératoires, la structure du réacteur et l'hydrodynamique. Il observe le résultat de l'opéra- tion et cherche à remonter le plus simplement possible aux données de base sur la cinétique et les transferts. Réciproquement, l'ingénieur qui veut assurer une production industrielle avec des spécifi- cations précises rassemble les données physicochimiques, hydrodynamiques et de transfert, pour concevoir un réacteur industriel et déterminer ses conditions de marche optimale. Ou encore, s'il dis- 22 GÉNIE DE L A RÉACTION CHIMIQUE pose d'un appareillage existant, il cherche à prévoir le résultat qu'il obtiendra à partir d'un mélange d'alimentation donné. Dans tous les cas, il est nécessaire de connaître les relations qui existent entre tous les facteurs gouvernant le fonctionnement du réacteur (Fig. 1.1). Tel est précisément l'objet du génie de la réac- tion chimique. Données thermodynamiques et cinétiques sur la réaction Paramètres opératoires Nature des réactifs E N T R E E Pression, Température concentrât ions débits temps de séjour Données hydrodynamiques Circulation et mise au contact des phases DEBUT Nature des produits Taux de conversion des réactifs Distribution des produits Rendements Données de transfert de matière, chaleur, quantité de mouvement structure géométrique du réacteur Figure 1.1 - Facteurs gouvernant le fonctionnement d'un réacteur chimique Donnons quelques exemples de questions auxquelles cette discipline tente d'apporter des réponses. 1) Une transformation chimique en phase liquide dont le schéma stœchiométrique est A -» R -» S, A -» B a été étudiée au laboratoire en discontinu dans un petit réacteur isotherme. On désire passer à la production industrielle de R en continu. Quel type de réacteur choisir et quelles dimensions ? Quel débit de A pourra-t-on traiter ? Quelle sera l'influence de l'écoulement du mélange réactionnel ? Comment régler la température compte-tenu de la chaleur de réaction ? Le fonctionnement du réacteur sera-t-il stable ? Pourra-t-on y installer un système de commande ? De quoi dépend l'obtention d'un rendement optimal en produit R ? 2) Un réacteur catalytique gaz-solide exothermique a été construit empiriquement. Ses perfor- mances ne donnent pas satisfaction. Peut-on l'améliorer ? La réaction est-elle limitée par la diffusion à l'intérieur des grains ? Le catalyseur a-t-il une granulomere convenable ? Le diamètre du tube est- il bien choisi ? Comment calculer le profil de température dans le lit ? Peut-on prévoir ce qui se passe lors du démarrage ? Ne risque-t-on pas de voir se développer des points chauds et des emballe- ments ? Peut-on réduire la vitesse de vieillissement du catalyseur ? N'-y-a-t-il pas d'autres modes de contact gaz-solide à envisager que le lit fixe ? Quel type de réacteur de laboratoire faudrait-il utiliser pour mesurer les paramètres cinétiques fondamentaux de la réaction ? 3) Une réaction d'absorption avec réaction chimique d'un gaz dans un liquide fonctionne conve- nablement dans un réacteur pilote où un garnissage inerte est arrosé par le liquide à contre-courant du gaz. On cherche à extrapoler cette installation à grande échelle pour résoudre deux problèmes diffé- rents : obtenir un épuisement du gaz beaucoup plus poussé et/ou traiter un débit beaucoup plus important. Quelle relation y-a-t-il entre la hauteur de la colonne et le taux de conversion ? De quelles informations physicochimiques a-t-on besoin ? Comment les mesurer au laboratoire ? La colonne à INTRODUCTION, CLASSIFICATION ET MÉTHODES D'ÉTUDE 23 garnissage est-elle le meilleur réacteur ? Pourrait-on utiliser une colonne à bulles ou un réacteur agité ? Qu'est-ce qui limite la transformation : l'absorption ou la réaction ? 4) Une transformation complexe est menée dans un réacteur industriel conçu empiriquement. A côté du produit principal, on fabrique quelques p.p.m. de sous-produits indésirables toxiques diffi- ciles à séparer. Peut-on redessiner le réacteur et conduire l'opération autrement pour minimiser la quantité de sous-produits ? 5) On a mis au point au laboratoire la fabrication d'un nouveau copolymère. La réaction est très exothermique et la viscosité du produit très élevée. Quel type de réacteur industriel choisir et com- ment conduire la réaction et l'ajout des co-monomères pour éviter l'emballement et la prise en masse ? 6) On désire éliminer des déchets organiques par pyrolyse à haute température. Quelles sont les conditions opératoires les plus appropriées pour transformer ces molécules en composés minérali- sables et acceptables pour l'environnement ? Quelle est la technique la mieux adaptée ? Dans quel réacteur ? Quelles données cinétiques et thermodynamiques doit-on acquérir ? Ces exemples montrent suffisamment que le génie de la réaction chimique est avant tout une méthodologie adaptée à l'étude de sujets variés tels que : - interactions entre la réaction et le milieu qui la supporte, - compétitions entre processus physiques et chimiques, - lois de comportement des réacteurs, - conception de nouveaux réacteurs, - extrapolation, passage discontinu/continu, - diagnostic et amélioration de réacteurs existants, - conduite optimale des transformations chimiques. Cette liste n'est évidemment pas limitative. Dans chaque cas se posent les questions : de quelles données a-t-on besoin ? Quelles expériences de laboratoire, quels essais industriels faut-il faire ? Comment établir un modèle mathématique simple permettant d'atteindre l'objectif visé ? Le présent ouvrage se propose de passer en revue les principes de base qui président au fonctionnement et à la modélisation des réacteurs et des systèmes réactionnels. Toute étude rationnelle commençant par une classification, voyons d'abord celle des transforma- tions chimiques. Le tableau 1.1 résume les principaux critères de classement. Parmi ceux-ci, c'est celui qui domine qui imprime sa marque à la conception et au fonctionnement du réacteur. Par exemple, dans une réaction gaz-solide, des facteurs déterminants sont les transferts de matière et de chaleur entre phases ; dans une réaction à stœchiométrie unique, on s'efforce d'obtenir le taux de conversion maximum au moindre coût dans le réacteur le plus petit possible, ou dans le plus court temps possible alors que dans une réaction composite à stœchiométrie multiple, l'obtention d'une sélectivité élevée prime sur le taux de conversion à condition que le recyclage des substances non converties ne soit pas trop coûteux ; dans une réaction exothermique équilibrée, c'est le réglage de la température qui est capital,... Mais il peut aussi arriver que l'efficacité de la transformation repose entièrement sur le choix d'un bon catalyseur. Dans ce cas, les problèmes de génie du réacteur passent au second plan derrière ceux de la catalyse et de la chimie. Voyons maintenant comment classer les réacteurs, que nous définissons ici d'une manière très large comme toute portion de l'espace où peut se dérouler une transformation chimique. Les quatre critères principaux sont la circulation du mélange réactionnel, l'évolution dans le temps, le degré de mélange des substances en réaction et le mode de mise au contact uploads/Finance/ introduction-classification-et-methodes-d-x27-etudes-des-systemes-reactionnels.pdf