Réacteur

En chimie, un réacteur est une enceinte ou récipient apte à la réalisation et l'optimisation de réactions chimiques et le plus souvent de procédés de transformation de la matière.


Catégories :

Réaction chimique - Chimie générale - Génie chimique

Définitions :

  • Qui réagit; (Vieilli) Qui participe à une réaction; (Chimie) Appareil dans lequel se produit une réaction; Moteur à réaction (source : fr.wiktionary)

En chimie, un réacteur est une enceinte ou récipient apte à la réalisation et l'optimisation de réactions chimiques et le plus souvent de procédés de transformation de la matière (génie des procédés). L'objectif recherché dans un réacteur est l'homogénéité de la masse réactionnelle du point de vue de la température et du mélange des réactifs.

Par exemples :

En fonction des limitations imposées par la sécurité, la thermodynamique ou la cinétique, l'ingénieur-chimiste est chargé de dimensionner le réacteur afin d'optimiser la performance du procédé. Comme il n'est pas envisageable d'obtenir une conversion de 100% des réactifs, un bon dimensionnement sert à diminuer les coûts de séparation et de diminuer la quantité de déchets.

Généralité

Il existe des réacteurs de toutes tailles et de toutes formes. Dans les procédés continus, le réacteur est généralement construit sur mesure, suivant les spécificités de la réaction. Dans les procédés batch, on utilise des réacteurs polyvalents normés.

Les réacteurs sont fabriqués en acier inoxydable (le plus courant), en émail (pour des réactions avec des acides ou autres produits corrosifs), ou alors en titane ou en hastelloy pour des réactions spécifiquement corrosives.

La structure générale des réacteurs est une cuve avec un dispositif de contrôle de température. Il existe différentes configurations pour le contrôle de température : un manteau localisé tout autour de la cuve où circule le fluide caloporteur, le demi-tube soudé autour de la cuve où circule de manière forcée le fluide caloporteur, l'échangeur de chaleur interne (serpentin positionné dans la cuve et l'échangeur de chaleur externe (le mélange réactionnel de la cuve est pompé hors de la cuve, passe dans un échangeur de chaleur, puis est renvoyé dans la cuve).

Dimensions générales pour réacteur en inox construit selon normes DIN 28136
Volume nominal Volume de travail max. Volume total Poids à vide Surface d'échange (manteau) Surface d'échange (demi-tube)
63 87.5 100 350 0.63 -
100 126 138 400 0.86 -
160 198 218 450 1.2 -
250 330 363 750 1.48 1.1
400 465 512 900 2.04 1.63
630 800 900 1100 2.73 2.05
1000 1380 1550 1400 3.86 2.93
2500 3265 3665 2300 7.64 6.0
10000 10815 12160 6000 22.0 13.5
16000 18980 21120 8000 32.0 20.0
Volume en litre, poids en kg et surface d'échange en m2. Le poids est donné pour réacteur avec double manteau (63-2500 L) respectivement pour réacteur avec demi-tube (10000-16000 L). Le poids à vide concerne les réacteurs avec leur équipement (senseur, agitateur, ... ). Valeurs indicatives selon DIN 28136.

Réacteurs idéaux

Dans le domaine du génie chimique, on trouve 3 grandes classes de réacteurs :

  • le réacteur continu ou ouvert
  • le réacteur "batch", nommé aussi réacteur fermé ou discontinu
  • le réacteur à écoulement piston

Un réacteur hybride existe toujours, le réacteur semi-fermé ou "fed-batch", qui se situe entre le réacteur fermé et le réacteur ouvert. Ces réacteurs sont nommés aussi réacteurs idéaux, car ils servent de modèle de base pour le design de procédés chimiques. Ils sont définis par un certain nombres d'hypothèses qui favorisent la modélisation du procédé.

Réacteur continu

Réacteur continu

Les hypothèses liées au modèle du réacteur continu (en anglais CSTR : continuous stirred tank reactor) sont les suivantes :

  • mélange homogène au niveau moléculaire
  • température homogène du milieu
  • volume et densité constants (débit d'entrée = débit de sortie)
  • concentrations et température du flux de sortie sont les mêmes que celles dans le réacteur

Il satisfait au bilan suivant : ENTREE + SOURCE + PUITS = SORTIE

Un tel bilan est dit stationnaire (propriété du réacteur continu après sa phase de démarrage), c. -à-d. que la température mais aussi les concentrations des composants du milieu ne changent pas avec le temps. Mathématiquement cela donne

bilan de matière: 0 = \dot V \cdot (C_{i,entree}-C_{i,sortie}) + R_{i} \cdot V
bilan d'énergie: 0 = \rho \cdot C_{p} \cdot \dot V \cdot (T_{entree}-T_{reacteur})+ U \cdot A \cdot (T_{manteau}-T_{reacteur})  +  R \cdot -\Delta_{r}H \cdot V


Avantages : Peu de variation dans la qualité d'un produit sur une longue période de temps. Haute performance. Bon pour des études cinétiques. Travaille à des faibles concentrations de réactifs (meilleure sécurité, meilleure conversion pour des ordres de réactions inférieurs à 1 ou en cas d'inhibition par le substrat).

Désavantages : Moins bonne convertion pour des ordres de réactions supérieurs à 1 ou en cas d'inhibition par le produit. Nécessite un excellent contrôle des flux (entrée et sortie). Ne permet pas des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires.

Réacteur discontinu

Réacteur batch

Les hypothèses liées au modèle du réacteur discontinu (en anglais "batch") sont les suivantes :

  • mélange homogène au niveau moléculaire
  • température homogène du milieu
  • volume constant (débit d'entrée = débit de sortie = 0)

Il satisfait au bilan suivant : SOURCE + PUITS = ACCUMULATION

Un tel bilan est dit transitoire, c. -à-d. que les concentrations des composants du milieu changent avec le temps. La température peut rester constante (réacteur isotherme) ou non. Mathématiquement cela donne

- Bilan de matière :  V \cdot \frac{dC_{i}}{dt} = R_{i} \cdot V
- Bilan d'énergie (3 possibilités)  :
  • mode isotherme :      0 = U \cdot A \cdot (T_{manteau}-T_{reacteur})  +  R \cdot -\Delta_{r}H \cdot V


Avantages : Installation simple et offrant une très grande polyvalence. Permet des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires (surtout changement de la temperature).

Désavantages : Travaille à des concentrations de réactifs élevées au début de la réaction (problème de sécurité, moins bonne convertion en cas d'inhibition par le substrat). Nécessite un temps mort entre chaque opération (vidange, nettoyage, remplissage) qui nuit à la performance.

Réacteur à écoulement piston

Réacteur piston

Les hypothèses liées au modèle du réacteur piston (en anglais PFTR : Plug Flow Tubular Reactor) sont les suivantes :

  • le mélange radial est reconnu comme parfait
  • l'écoulement est de type piston
  • la densité constante
  • pas de mélange axial

Il satisfait au bilan suivant : ENTREE + SOURCE + PUITS = SORTIE

Le réacteur est reconnu à l'état stationnaire, mais possède un profil de température et de concentration selon son axe. On considère non pas le réacteur dans sa totalité, mais on le divise en fine tranche (rondelle ou tranche de salami ;-), ce qui permet d'écrire

bilan de matière : \frac{dC_{i}}{dt} = R_{i} pour une tranche d'épaisseur dL et de volume dV
bilan d'énergie : \dot m \cdot C_{p} \cdot \frac{dT}{dV} = U \cdot dA \cdot (T_{manteau}-T_{reacteur})  +  R \cdot -\Delta_{r}H


Avantages : Peu de variation dans la qualité d'un produit sur une longue période de temps. Haute performance.

Désavantages : Nécessite un excellent contrôle des flux (entrée et sortie).


Réacteur à lit fixe

Le réacteur à lit fixe est un type de réacteur à écoulement piston. Il est essentiellement utilisé pour des réactions catalytiques hétérogènes en phase gazeuse : la réaction a lieu à la surface d'un catalyseur solide, les réactifs et les produits étant des gaz. Le catalyseur est déposé à la surface de supports inertes (grilles métalliques ou éléments en silice) qui forment une structure fixe (lit fixe) positionné dans le réacteur. Les réactifs circulent dans le réacteur autour des éléments du lit (voire dans les éléments du lit si ce dernier est constitué d'éléments poreux) et réagissent à la surface de ce dernier avec le catalyseur.

Réacteur semi-continu

Réacteur semi-continu

Le réacteur semi-continu (fed-batch en anglais) est particulièrement identique au réacteur discontinu. Le principal changement provient du fait que le volume change durant la réaction. Les principales hypothèses du modèle sont ainsi

  • mélange homogène au niveau moléculaire
  • température homogène du milieu

Il satisfait au bilan suivant : ACCUMULATION = ENTREE + SOURCE + PUITS

- Bilan de matière :     V \cdot \frac{dC_{i}}{dt} = R_{i} \cdot V + \dot V \cdot C_{i,entree}
- Bilan d'énergie (3 possibilités)  :
- Bilan de volume :      \frac{dV}{dt} = \dot V


Avantages : Permet un contrôle de la concentration (meilleure sécurité). Permet des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires (surtout changement de la concentration des réactifs). Meilleure convertion en cas d'inhibition par le substrat. Permet d'atteindre de très hautes densités cellulaires en biotechnologie.

Désavantages : Nécessite un excellent contrôle du flux d'entrée (danger d'accumulation des réactifs). Nécessite un temps mort entre chaque opération (vidange, nettoyage, remplissage) qui nuit à la performance.

Autres réacteurs

Réacteur avec recyclage

Il s'agit généralement d'un réacteur à écoulement piston dont une partie du flux de sortie est réinjectée dans le réacteur par mélange avec le flux d'entrée. Ce type de réacteur est fréquemment utilisé quand la conversion est faible dans le réacteur.

Cascade de réacteurs

Ce type de réacteur est caractérisé par une succession de réacteurs (plusieurs réacteurs continus ou un duo réacteur continu-réacteur à écoulement piston. Le flux de sortie du premier réacteur sert de flux d'entrée au second réacteur et ainsi de suite. Cette configuration permet d'atteindre des conversions particulièrement élevés.

Réacteurs non idéaux

Dans la réalité, les hypothèses ne sont pas respectées et ceci d'autant plus si le réacteur est grand. Ainsi dans un réacteur de plusieurs milliers de litres, la température n'est pas uniforme, ce qui génère des profils de concentrations, car la vitesse de réaction, dépendante de la température, n'est pas uniforme dans la masse réactionnelle.

Pour mesurer l'idéalité d'un réacteur, il existe une technique, la distribution de temps de séjour (DTS). Cette technique permet, via la mesure de la concentration d'un traceur à différents lieux du réacteur, de comparer un réacteur avec les modèles ci-dessus et le cas échéant de corriger le modèle pour tenir compte des déviations.

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"Réacteur polyvalent 10L régulé"

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