République Algérienne Démocratique & Populaire. Université Hassiba Ben Bouali de Chlef. Faculté des Sciences & Sciences de l Ingénieur

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1 Républque Algérenne Démocratque & Populare Mnstère de l Ensegnement Supéreur & de la Recherche Scentfque Unversté Hassba Ben Boual de Chlef Faculté des Scences & Scences de l Ingéneur Département Géne des Procédés MEMOIRE DE MAGISTER Opton : Géne chmque Présentée par : Melle. OUAGUED Malka Devant le jury consttué de: Mr. L. Loukerf Professeur à UHB de Chlef Présdent Melle.S. Kouadr Mostafa Maître de conférences à UHB de Chlef Rapporteur Mr. D. Achour Maître de conférences à UHB de Chlef Examnateur Mr. S. Hann Maître de conférences au CU de Méda Examnateur Mr. S. Abudura Maître de conférences au CU de Méda Examnateur CHLEF le 3/04/006

2 . / : RESUME Ce traval concerne la contrbuton au développement d un smulateur dynamque pour étuder la condute thermque d un réacteur dscontnu à double enveloppe équpé d un système de chauffage/refrodssement de type monoflude. Le chauffage et le refrodssement sont assurés respectvement par un crayon chauffant et deux échangeurs de chaleur à plaques. La valdaton du smulateur montre que l utlsaton de ce derner pour la smulaton de chauffage et de refrodssement de l eau pure dans le réacteur donne de bons résultats. De plus l applcaton du smulateur à des réactons consécutves pour la synthèse du cyclopentanedol à partr du cyclopentadene montre que le chauffage du mélange réactonnel permet d amélorer les résultats obtenus lors de la réalsaton de cette synthèse. MOTS CLES : Réacteur chmque dscontnu- condute thermque- Smulateur dynamque.. ABSTRACT Ths work relates to the contrbuton to the development of a dynamc smulator to study the thermal control of a jacketed batch reactor equpped wth a monoflud heatng/coolng system type. The heatng and the coolng are assured respectvely by electrc resstance and two plate heat exchanger. The valdaton of the smulator shows that the applcaton of ths last for the smulaton of heatng and coolng of pure water n the reactor gves good results. Moreover the applcaton of the smulator to consecutve reactons for the synthess of the cyclopentanedol startng from the cyclopentadene shows that the predcton and the takng nto account of the heatng of the reactonal mxture make t possble to mprove the results obtaned at the tme of the realzaton of ths synthess. KEY WORDS: Batch chemcal reactor- Thermal control- Dynamc smulator.

3 A la mémore de ma très chère grand-mère A mes chers parents, Qu ls trouvent c l hommage de ma grattude qu, s grande qu elle puse être, ne sera jamas à la hauteur de leur éloquence et leur dévouement. Aucune dédcace ne saura vous exprmer la profondeur de mes sentments. A mes amables s urs et frères, En témognage de mon amour fraternel et de mon attachement éternel. A tous mes ams et mes collègues sans excepton A tous ceux qu me sont chère

4 Table de matère TABLE DES MATIERES NOMENCLATURE LISTE DES TABLEAUX LISTE DES FIGURES INTRODUCTION GENERALE 0 CHAPITRE : PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE 04.. Introducton La smulaton dynamque Les réacteurs chmques Classfcaton des réacteurs chmques Rsques thermques et sécurté des réacteur Chme fne et réacteur dscontnu Le réacteur dscontnu 6.5. Contrôle thermque d un réacteur dscontnu Système de Chauffage/Refrodssement Système de chauffage/refrodssement multflude Système de chauffage/refrodssement monoflude Les sources de chauffage/ refrodssement Prncpales confguratons du système monoflude Chauffage drect Refrodssement drect Chauffage en sére Refrodssement drect Chauffage ndrect Refrodssement drect Chauffage ndrect Refrodssement ndrect Chauffage en sére Refrodssement ndrect... 6

5 .7.6. Chauffage en sére Refrodssement en sére Études réalsées sur les systèmes monofludes Concluson 30 CHAPITRE : MODELISATION DU PROCEDE ETUDIE 3.. Introducton Descrpton du modèle du réacteur étudé 3.3. Modélsaton du procédé Modélsaton du réacteur Modélsaton de la double-enveloppe Modélsaton de la boucle thermque Modélsaton du crayon chauffant Modélsaton des échangeurs de chaleur Modélsaton des condutes Modélsaton de la vanne tros voes Blan global 6.5. Calcul des proprétés physques des fludes utlsés Calcul des proprétés physques de l eau Calcul des proprétés physques de l éthylène glycol à 50% Calcul des proprétés physques de l ar Calcul des coeffcents de transfert de chaleur Coeffcents d échange de chaleur pour le réacteur et sa doubleenveloppe Coeffcents d échange de chaleur pour les échangeurs de chaleur Coeffcents d échange de chaleur dans les condutes.. 75

6 .6.4. Coeffcents d échange de chaleur pour le crayon chauffant Concluson. 80 CHAPITRE 3 : ANALYSE DES PERFORMANCES DU SIMULATEUR Introducton Méthode numérque d ntégraton Méthode de programmaton Organgramme de smulaton dynamque de la condute thermque d un réacteur dscontnu à double-enveloppe Valdaton du smulateur Valdaton du smulateur avec de l eau pure Résultats de smulaton Comparason des Résultats Valdaton du smulateur avec une synthèse chmque Smulaton avec coulée Smulaton sans coulée Concluson. 09 CONCLUSION GENERALE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE ANNEXE

7 Lettres romanes NOMENCLATURE Nomenclature A j cond,pcond : surface d échange totale entre le monoflude et la paro de la condute j (m ) A j ext,pcond : surface d échange entre la paro de la condute j et le mleu extéreur (m ) A fc,pch : surface d échange entre le monoflude et la paro de la tge (m ) A fc,pde : surface d échange entre le monoflude et la paro de la double-enveloppe (m ) A fc,res : surface d échange entre la paro de la résstance électrque et le monoflude (m ) Afr : surface d échange entre le mleu et la paro du fond sphérque du réacteur (m ) A j : surfaces d échange des plaques j de l échangeur de chaleur (m ) A pch,ext : surface d échange entre la paro de la tge et le mleu extéreur (m ) A pr,ext : surface d échange de chaleur entre la paro du réacteur et le mleu extéreur (m ) A pr,fc : surface d échange entre le monoflude et la paro du réacteur (m ) Aref : surface d échange ntale entre le mleu réactonnel et la paro du réacteur (m ) A r,pr :surface d échange entre le mleu réactonnel et la paro du réacteur (m ) C : concentraton du consttuant (mole.m -3 ) Cpc : chaleur spécfque de la coulée (kj.kg -.K - ) Cp ch : chaleur spécfque du monoflude à la température Tch (kj.kg -.K - ) Cp fcmel : chaleur spécfque du monoflude à la température de mélange (kj.kg -.K - ) Cp fc : chaleur spécfque du monoflude dans le bac (kj.kg -.K - ) Cp j : chaleur spécfque du flude crculant dans le canal j de l échangeur de chaleur (kj.kg -.K - ) Cp pch : chaleur spécfque moyenne de la paro de la tge (kj.kg -.K - ) Cp pcond : chaleur spécfque de la paro de la condute j (kj.kg -.K - ) Cp pde : chaleur spécfque de la paro de la double-enveloppe (kj.kg -.K - ) Cpp j : chaleur spécfque de la paro de la plaque j (kj.kg -.K - ) Cp pr : chaleur spécfque de la paro du réacteur (kj.kg -.K - ) Cp pres : chaleur spécfque moyenne de la paro de la résstance (kj.kg -.K - ) Cp r : chaleur spécfque du mleu réactonnel (kj.kg -.K - ) Cs(,j) : matrce des coeffcents stoechométrques des dfférentes réactons Da : damètre des pales de l agtateur (m)

8 Nomenclature Dagt : damètre de l arbre de l agtateur (m) dcex : damètre extéreur de la condute j (m) dcn j : damètre nterne de la condute j (m) Dcpale : damètre de l arbre de la contre-pale (m) dcro : damètre de la résstance électrque (m) dcr : damètre nterne de la double enveloppe du crayon chauffant (m) dcro : damètre externe de la tge (m) Depr : damètre externe du réacteur (m) Depde : damètre externe de la double-enveloppe (m) Deq : damètre équvalent (m) Dfc : débt du monoflude qu passe à travers la condute j (m 3.s - ), Dfde : damètre du fond sphérque de la double-enveloppe (m) Dfr : damètre du fond sphérque du réacteur (m) Dpde : damètre nterne de la double-enveloppe (m) Dpr : damètre nterne du réacteur (m) E j : énerge d actvaton de la réacton j (KJ.mole -) ) epde : épasseur de la paro de la double enveloppe (m) epr : épasseur de la paro du réacteur (m) c : débt molare d almentaton en réactfs lqudes (mole.s - ) Ffc : débt volumque du monoflude crculant dans la double-enveloppe (m 3.s - ) g : l accélératon de la pesanteur (9,807 m.s - ) Hfde : hauteur du fond sphérque de la double-enveloppe (m) Hfr : hauteur du fond du réacteur (m) h f, : enthalpe de formaton du consttuant lqude à la température T * =98K et à presson atmosphérque (kj.kg - ) Href : hauteur de référence, représente la dstance entre le haut du réacteur et la surface lbre du mélange réactonnel (m) k 0 j : facteur de fréquence d ou exponentel de la vtesse de la réacton j ((l/mole.s) Lc j : longueur de la condute j (m) Lcrext : longueur externe de la tge (m) Lcrnt : longueur de la tge qu représente le chemn parcouru par le monoflude (m) Lress : longueur de la résstance électrque (m) Mc : masse molare de la coulée (kg/mole)

9 Nomenclature m ch : masse de monoflude présente dans la double-enveloppe du crayon chauffant (kg) m fc : masse du monoflude présente dans le bac (kg) M : masse molare du corps (kg/mole) m pch : masse totale de la paro de la tge (kg) m pcond : masse de la paro de la condute j (kg) m pde : masse de la paro de la double enveloppe (kg) m pr : masse de la paro du réacteur (kg) m pres : masse de la paro de la résstance électrque (kg) m r : la masse totale du mleu réactonnel (kg) nbac : nombre des bacs dans la double enveloppe nbc j : nombre de bacs de la condute j nc : nombre de consttuants présents dans le mélange réactonnel n : nombre de moles du corps (mole) n j : ndce qu ndque la drecton de l écoulement du flude dans le canal j ntrc : nombre de tranche dans chaque canal de l échangeur à eau frode ntrc : nombre de tranche dans chaque canal de l échangeur à eau glycolée Pelec : pussance électrque fourne par la résstance électrque (kw) Qr : vtesse de dégagement de chaleur d une réacton (kw) R : constante des gaz parfats (8,3 J.mole -.K - ) rj : vtesse de la réacton j en (mole.l.s - ) T * : température à l état standard (98,5 K) Tc : température de la coulée (K) Tch : température du monoflude présent dans le crayon chauffant (K) Tcond : température du monoflude dans le bac de la condute j (K) Techc : température du monoflude dans l échangeur à eau frode (K) Techc : température du monoflude dans l échangeur à eau glycolée (K) Techf : température de l eau frode dans l échangeur à eau frode (K) Techg : température de l eau frode dans l échangeur à eau glycolée (K) Text : température du mleu extéreur (K) Tfc : température du monoflude dans le bac de la double enveloppe (K) T j : température du flude crculant dans le canal j (K) Tmel : température de mélange à la sorte de la vanne à tros voes (K) Tpch : température de la paro de la tge (K)

10 Nomenclature Tpech : température des paros des plaques dans l échangeur à eau frode (K) Tpech : température des paros des plaques dans l échangeur à eau glycolée (K) Tpcond j : température de la paro de la condute j (K) Tpde : température de la paro de la double-enveloppe (K) Tp j : température de la plaque j (K) Tpr : température de la paro du réacteur (K) Tpres : température de la paro de la résstance électrque (K) Tr : température du mleu réactonnel (K) Tref : température de référence (K) U j cond,pcond : coeffcent partel d échange de chaleur entre le monoflude et la paro de la condute j dans le bac (kj.m -..s -.K - ) U j ext,pcond : coeffcent d échange partel entre la paro de la condute j et le mleu extéreur (kj.m -.s -.K - ) U fc,pch : coeffcent d échange de chaleur entre le monoflude et la paro de la tge (kj.m -.s -.K - ) U fc,pde : coeffcent partel d échange thermque entre le monoflude dans le bac et la paro de la double enveloppe (kj.m -.s -.K - ) U fc,res : coeffcent d échange de chaleur entre le monoflude et la paro de la résstance (kj.m -.s -.K - ) U j : coeffcent partel d échange thermque entre le flude et la plaque j (Kj.m -.s -.K - ) U pch,ext : coeffcent d échange de chaleur entre la paro de la tge et le mleu extéreur (kj.m -.s -.K - ) U pde,ext : coeffcent partel d échange de chaleur entre la paro de la double-enveloppe et le mleu extéreur (kj.m -.s -.K - ) U pr,ext : c ffcent partel d échange de chaleur entre la paro du réacteur et le mleu extéreur (kj.m -.s -.K - ) U pr,fc : coeffcent partel d échange thermque entre la paro du réacteur et le monoflude dans le bac (kj.m -.s -.K - ) U r,pr : coeffcent partel d échange de chaleur entre le mleu réactonnel et la paro du réacteur (kj.m -.s -.K - ). u x : vtesse d écoulement du monoflude dans l échangeur de chaleur (m.s - ) Vagt : volume total du moble d agtaton (m 3 ) V ch : volume du bac occupé par le monoflude (m 3 )

11 Nomenclature V j cond : volume de la condute j (m 3 ) Vcpale : volume total de la contre-pale (m 3 ) V de : volume de la double-enveloppe (m 3 ) V fc : vtesse du monoflude crculant dans la double-enveloppe (m.s - ) V j : volume de rétenton dans le canal j (kg.m 3 ) Vmort : volume du moble d agtaton et celu de la contre-pale à l ntéreur du Vref (m 3 ) V pch : volume de la paro de la tge (m 3 ) V j pcond : volume de la paro de la condute j (m 3 ) V pres : volume de la paro de la résstance électrque (m 3 ) Vref : volume total du mleu réactonnel correspondant à une hauteur de référence, Href, (m 3 ). wagt : vtesse de rotaton de l agtateur (tr.s - ) x :fracton molare du consttuant dans la coulée de réactfs Lettres grecques α j : ordre assocé au consttuant dans la réacton j fc : fracton du débt du monoflude qu dot passer par l échangeur de chaleur : coeffcent de dlataton volumque du monoflude à presson constante (K - ) Hrj(Trj) : enthalpe de la réacton j à la température Tr (kj.mole - ). λ r : la conductvté thermque du mélange réactonnel (kj.m -.s -.K - ) λp j : conductvté thermque de la plaque j de l échangeur de chaleur supposée constante dans le domane de température utlsé (kj.m -.s -.K - ) r : la vscosté dynamque du mélange réactonnel (kg.m -.s - ) : l épasseur entre deux plaques de l échangeur de chaleur (m) r, : La masse volumque du mleu réactonnel (kg.m -3 ) fc : masse volumque du monoflude dans le bac (kg.m 3 ) pr : masse volumque de la paro du réacteur (kg.m -3 ). pde : masse volumque de la paro de la double-enveloppe (kg.m -3 ) ch : masse volumque du monoflude à la température Tch (kg.m -3 ) j : masse volumque du flude crculant dans le canal j (kg.m -3 ) p j : masse volumque de la paro de la plaque j (kg.m -3 ) pcond : masse volumque de la paro de la condute supposée

12 Nomenclature constante dans le domane de températures utlsé (kg.m -3 ) fcmel : masse volumque du monoflude à la température de mélange (kg.m -3 ) : constante (3.4) Nombres admensonnels Re Pr Gr V fc Deq ρ fc = Nombre de Reynolds µ fc Cp r µ r = Nombre de Prandtl λr 3 Deq ρ fc g β Tj Tfc = Nombre de Grashof µ fc Deq Nu = U j,fc λfc Nombre de Nusselt

13 LISTE DES TABLEAUX Tableau.: Classfcaton des réacteurs avec ndcaton de la fréquence d utlsaton et exemple d applcaton 0 Tableau.: Etudes réalsées sur les systèmes monofludes 9 Tableau.: Varables du système dfférentel consttuant le réacteur 6 Tableau.: Varables du système dfférentel consttuant la double-enveloppe 6 Tableau.3: Varables du système dfférentel consttuant le crayon chauffant 6 Tableau.4: Varables du système dfférentel consttuant les échangeurs de chaleur 63 Tableau.5: Varables du système dfférentel consttuant les condutes 64 Tableau.6: Valeurs de paramètres de corrélatons utlsées dans le cas des échangeurs à plaques 74 Tableau.7: Valeurs de «a» et «b» selon la poston de la condute et le produt Gr.Pr 78 Tableau 3.: Paramètres cnétques des tros réactons de synthèse du cyclopentanedol 00 Tableau 3.: Paramètres physques des dfférents consttuants 0

14 LISTE DES FIGURES Fgure. : Schéma des dfférents types de réacteurs 08 Fgure.: Scénaro d emballement thermque dans une réacton chmque Fgure.3: Réacteur monophasque dscontnu 7 Fgure.4: Chauffage drect Refrodssement drect 3 Fgure.5: Chauffage en sére Refrodssement drect 4 Fgure.6:Chauffage ndrect Refrodssement drect 5 Fgure.7 Chauffage ndrect-refrodssement ndrect 6 Fgure.8: Chauffage en sére Refrodssement ndrect 7 Fgure.9: Chauffage en sére Refrodssement en sére 8 Fgure.: Installaton plote du réacteur et son envronnement thermque 34 Fgure.: Schéma général du procédé à modélser 36 Fgure.3: Paramètre géométrques assocés au réacteur, à son moble d agtaton et à sa double-enveloppe 43 Fgure.4: Modélsaton de la double-enveloppe 44 Fgure.5: Schéma des transferts de chaleur dans le bac de la double-enveloppe 44 Fgure.6: Schéma smplfé du crayon chauffant 49 Fgure.7: Schéma des transferts de chaleur dans le bac du crayon chauffant. 49 Fgure.8: Schéma représentatf de l utlsaton d un échangeur de chaleur 53 Fgure.9: Schéma représentatf des écoulements des deux fludes dans l échangeur à plaques 54 Fgure.0: Modélsaton de l écoulement du flude entre deux plaques 55 Fgure.: Déscrtsaon horzontale de l écoulement 57 Fgure.: Modélsaton du transfert de chaleur dans les condutes 58 Fgure.3: Modélsaton de la vanne à tros voes 6 Fgure 3.: Smulaton de chauffage de l eau pure par 000 W. 87 Fgure 3.: Smulaton de chauffage de l eau pure par 500 W. 87

15 Fgure 3.3: Smulaton de chauffage de l eau pure par 000 W. 88 Fgure 3.4: Smulaton de refrodssement de l eau pure par eau frode à 50l/h 88 Fgure 3.5: Smulaton de refrodssement de l eau pure par eau frode à 500l/h. 89 Fgure 3.6: Smulaton de refrodssement de l eau pure par eau frode à 750l/h. 89 Fgure 3.7: Smulaton de refrodssement de l eau pure par eau glycolée à 50l/h. 90 Fgure 3.8: Smulaton de refrodssement de l eau pure par eau glycolée à 500l/h 90 Fgure 3.9: Smulaton de refrodssement de l eau pure par eau glycolée à 750l/h. 9 Fgure 3.0: Expérence de chauffage de l eau pure 500 W [5], [7] 94 Fgure 3.: Smulaton de chauffage de l eau pure par 500 W [5], [7] 95 Fgure 3.: Expérence de refrodssement par eau frode à 750 l/h [5], [7] 96 Fgure 3.3: Smulaton de refrodssement par eau frode à 750 l/h de [5], [7] 97 Fgure 3.4: Expérence de refrodssement par eau glycolée à 500 l/h [5], [7] 98 Fgure 3.5: Smulaton de refrodssement par eau glycolée à 500 l/h [5], [7] 99 Fgure 3.6: Smulaton de chauffage du mleu réactonnel par 000Watt 0 Fgure 3.7: Smulaton de refrodssement du mleu réactonnel par eau glycolée 0 Fgure 3.8: Smulaton du mleu réactonnel sans chauffage et sans refrodssement 03 Fgure 3.9: Comparason des températures du mélange réactonnel lors du chauffage, lors du refrodssement et sans ces deux opératons 03 Fgure 3.0: Smulaton de chauffage du mleu réactonnel sans coulée des réactfs à 330K 06 Fgure 3.: Smulaton de chauffage du mleu réactonnel sans coulée des réactfs à 350K 06 Fgure 3.: Smulaton de chauffage du mleu réactonnel sans coulée des réactfs équmolares à 330K 07 Fgure 3.3: Comparason des températures du mélange réactonnel sans coulée des réactfs 07 Fgure 3.4: Comparason des températures lors du chauffage du mélange réactonnel avec coulée des réactfs et sans coulée à 330K 08

16 INTRODUCTION GENERALE

17 Introducton générale INTRODUCTION GENERALE La smulaton dynamque est l'outl de chox pour dentfer le comportement attendu des procédés, auss ben qu'également pour les condtons opératores déjà fonctonnant. La smulaton des procédés est une technque ben rodée à laquelle ont désormas fréquemment recours les professonnels des dfférents domanes de l ndustre des procédés. Elle permet en effet de fare face à des enjeux mportants tels que la réducton des rsques, l améloraton de la compréhenson des phénomènes physques, la pérennsaton des connassances, la dmnuton des coûts grâce à l optmsaton des performances ou encore la réducton des temps de mse sur le marché de nouveaux produts. Pour qu un smulateur sot effcace dans tous ces domanes, l convent qu l utlse des modèles de connassance (ou phénoménologques) construts sur la base des los fondamentales de la physque et de la chme : les équatons de conservaton (masse, énerge, quantté de mouvement), la thermodynamque (équlbres chmques et entre phases), la cnétque, Ces smulateurs ont l avantage ncontestable de proposer une réelle capacté de prédcton, dans un domane de valdté beaucoup plus étendu que celu pour lequel des données expérmentales sont dsponbles. En revanche, ls nécesstent la mse en uvre de méthodes numérques complexes, notamment lorsque l aspect dynamque des procédés est abordé. Ce traval s nscrt donc dans le cadre de la condute thermque des réacteurs dscontnus polyvalents utlsés dans l ndustre de chme fne et de spécaltés. L'outl prncpal pour la mse en oeuvre de synthèses chmques dans le domane de la chme fne ou pharmaceutque reste le réacteur dscontnu. Les études menées, ont condut à l'élaboraton de méthodologes permettant la mse au pont de modes opératores adaptés aux contrantes fonctonnelles et de sécurté de ces apparels tel que le contrôle thermque des réacteurs dscontnus ou sem-contnus. Toutefos, ces réacteurs, même s'ls offrent les caractérstques de flexblté et de polyvalence requses, présentent un certan nombre de lmtatons technologques. En partculer, les mauvases condtons d'évacuaton de la chaleur dégagée par les réactons chmques pose un grave problème de sécurté. L étude menée dans ce mémore a pour objet la contrbuton au développement d un smulateur dynamque pour le contrôle thermque d un réacteur dscontnu de un ltre équpé d un système de chauffage/refrodssement monoflude. Ce système utlse un seul flude caloporteur pour le chauffage et le refrodssement du contenu du réacteur. Le chauffage et le

18 Introducton générale refrodssement sont assurés par l mplantaton sur le crcut thermque d un crayon chauffant et deux échangeurs de chaleur de capacté de refrodssement dfférentes. Le modèle étudé a été conçu au sen du laboratore de Géne Chmque à L ENCIASET de Toulouse par l équpe de «procédé de chme fne» Le traval présenté dans ce mémore est dvsé en tros chaptres. Dans le premer chaptre, nous présentons une étude bblographque concernant les dfférents paramètres et données de base qu on dot savor au préalable pour meux comprendre la problématque. Le deuxème chaptre, est consacré à la descrpton du procédé étudé du réacteur et sa boucle thermque. Pus nous décrvons en détal la modélsaton du réacteur et sa doubleenveloppe d une part et les dfférents apparels thermques et les condutes qu permettent la crculaton du monoflude d autre part. Pour modélser le procédé, nous avons établ des blans thermques et massques en régme transtore sur le réacteur et la boucle thermque pour obtenr à la fn un système d équatons dfférentelles ordnares. Dans le trosème chaptre, on présente le modèle de smulaton dynamque et la méthode numérque employée pour la résoluton de notre système dfférentel. On a chos comme méthode d ntégraton la méthode de Gear [34] partculèrement effcace pour le tratement des problèmes présentant une grande rgdté (large spectre de constantes de temps des équatons dfférentelles). La valdaton du smulateur est présentée sur deux exemples : pour le chauffage et le refrodssement de l eau njectée dans le réacteur, comparée avec des résultats expérmentaux et des résultats d autre smulaton, on a trouvé que le smulateur dynamque reprodut fdèlement le comportement réel du procédé et le deuxème exemple est la smulaton de la synthèse chmque du cyclopentanedol à partr du cyclopentadene. Donc le smulateur est un outl préceux qu décrt l évoluton dynamque du réacteur et permet ans de lmter le nombre d expérences. La structure du smulateur développé est telle qu l est possble de l ntégrer dans un système de commande et de supervson. Dans une concluson générale, nous essayons de dégager les prncpaux résultats et établssons un blan général de cette étude. 3

19 CHAPITRE PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE

20 Chaptre : Parte bblographque.. Introducton Des recherches récentes ont montrées que l'usage de la smulaton dynamque des processus grandt parm les ndustres de chme pharmaceutques et fnes. Typquement, ces ndustres utlsent des procédés dscontnus, où des réactons exothermques sont mplquées. Dans de tels scénaros, le comportement thermque du système a une nfluence forte sur la sélectvté de la réacton et la sécurté du processus, donc le contrôle correct de la température du processus est fondamental. La smulaton dynamque permet au chercheur d'étuder des systèmes alternatfs d'équpements du transfert de la chaleur et des réacteurs chmques et, son usage s étend de plus en plus à l'ntéreur de ces ndustres chmques de haute valeur ajoutée []. Dans ce chaptre nous présentons quelques prncpes de bases qu on dot connaître au préalable avant d entamer la parte modélsaton, tel que la smulaton dynamque, les réacteur dscontnus et les systèmes de contrôle thermque adéquat à ces réacteurs et enfn les dfférentes études réalsées dans ce domane... La smulaton dynamque La smulaton des procédé est la technque la ben rodée à laquelle ont a désormas fréquemment recours dans de nombreux problèmes de géne des procédés. Elle permet en effet de fare face à des enjeux mportants tels que la réducton des rsques, l améloraton de la compréhenson des phénomènes physques, la pérennsaton des connassances, la dmnuton des coûts grâce à l optmsaton des performances ou encore la réducton des temps de mse sur le marché de nouveaux produts []. Pour qu un smulateur sot effcace dans tous ces domanes, l convent qu l utlse des modèles de connassance (ou phénoménologques) construts sur la base des los fondamentales de la physque et de la chme : les équatons de conservaton (masse, énerge, quantté de mouvement), la thermodynamque, la cnétque, Ces smulateurs ont l avantage ncontestable de proposer une réelle capacté de prédcton, dans un domane de valdté beaucoup plus étendu que celu pour lequel des données expérmentales sont dsponbles. Néanmons, l'avantage mmédat qu peut être antcpé de rendre effectf une smulaton dynamque dans les vras procédés est de vérfer la stratége du contrôle du processus. C'est la rason pour laquelle les premères ndustres qu ont ncorporé la smulaton dynamque comme un outl actf ont été les hules et les raffnere, où le contrôle et le manten des procédés productfs à l'ntéreur d'un ntervalle de fonctonnement très pett assurent un courant contnu de produt à bas type de valeur ajouté [3], [4]. 5

21 Chaptre : Parte bblographque Une smulaton dynamque a beson de la soluton smultanée d'équatons algébrques et dfférentelles, donc les algorthmes mathématques adéquats ont beson d'être ncorporé dans un logcel. Un tel logcel a déjà le modèle rgoureux mplanté et les algorthmes mathématques prés à être utlser, en exgeant que l'utlsateur entre les rensegnements chmques pertnents du processus à étuder. Dans ce contexte, la smulaton dynamque devent un usage facle [4]..3. Les réacteurs chmques Le réacteur consttue le coeur des untés de fabrcatons chmques, rencontrées auss ben dans les raffneres ou les complexes métallurgques que dans les usnes chmques ou parachmques. Dans de telles untés ndustrelles, le réacteur est généralement entouré d apparellages, placés en amont et en aval, permettant les tratements physques des matères premères et des produts de la réacton. S, vstant dverses usnes réalsant des fabrcatons chmques varées, on s attache à repérer les apparellages dans lesquels s opèrent précsément les transformatons chmques, on peut être surprs par la varété des formes et des dmensons de ces derners. Auss, à premère vue, pourrat-on être tenté de consdérer toute tentatve de classfcaton des réacteurs chmques comme llusore et de penser que chaque apparellage rencontré en pratque consttue un cas partculer [5], [6]..3.. Classfcaton des réacteurs chmques [5], [7] Tous les réacteurs ont en commun le fat que leur foncton est de réalser une transformaton chmque. Donc, en se référant aux caractérstques prncpales d une réacton chmque, on devrat être capable de défnr un certan nombre de crtères qu servront de base à la classfcaton des réacteurs. En effet, toute analyse systématque du fonctonnement de ces apparels ne pourra être fate qu après les avor classés en un certan nombre de types ben caractérsés et auxquels les apparellages ndustrels pourront être dentfés. Parm toutes les caractérstques des réacteurs, nous retendrons en prorté, pour servr de base à notre classfcaton, celle qu est la plus apparente à l échelle macroscopque, à savor la nature des phases en présence. De ce fat, on fera une premère dstncton entre dvers cas : v Systèmes monophasques : le mleu réactonnel est alors consttué par une phase gazeuse ou une phase lqude. v Systèmes polyphasques ou hétérogènes : on peut ans rencontrer les combnasons suvantes : 6

22 Chaptre : Parte bblographque - gaz + lqude ; - lqude + lqude ; - fludes + soldes. Un second crtère pour notre classfcaton sera en quelque sorte fxé par les exgences pratques de l explotaton du processus chmque présenté sur la fgure (.). Ans, on a le chox entre un mode de fonctonnement dscontnu et une opératon réalsée en contnu : v En dscontnu : sgnfe charger le ou les réactfs dans le réacteur adéquat et lasser la transformaton chmque se dérouler dans le temps. On qualfe parfos ces apparels de systèmes fermés, car durant le laps de temps pendant lequel la réacton se déroule l n y a pas de flux de matère entrant ou sortant du système. v En sem-contnu : est réalsée lorsqu une parte des réactfs est ntrodute tout au long de l opératon, le déchargement des produts se fasant, là encore, à la fn de l opératon. On trouve également des cas où les réactfs étant chargés au début de l opératon, certans produts de la réacton sont progressvement élmnés, tands que la transformaton se déroule. v En contnu : les apparellages qualfés de systèmes ouverts, sont dotés d une ou pluseurs entrées pour ntrodure les réactfs, et d une ou pluseurs sortes par lesquelles les produts de la transformaton sont évacués. On est ans amené à défnr deux types d écoulement : - l écoulement de type pston, tel que celu qu est réalsé lorsque l on fat crculer à grande vtesse un flude peu vsqueux dans un tube ; -l écoulement à travers un récpent parfatement agté. D une manère plus générale, on peut caractérser les deux modes d opératon défns c-dessus par le fat que le système dscontnu opère d une manère non statonnare, alors que le système contnu est généralement conçu pour travaller en régme statonnare. 7

23 Chaptre : Parte bblographque coulée Réacteur dscontnu Réacteur sem-contnu réactfs produts Réacteur contnu Fgure. : Schéma des dfférents types de réacteurs Une autre caractérstque de la réacton a souvent une nfluence décsve sur la structure du réacteur et sur son aspect extéreur: l effet thermque névtablement lé à toute transformaton chmque. Un nombre consdérable de réactons pratquées ndustrellement ont des chaleurs de réacton consdérables, que ce sot des réactons exothermques ou endothermques. Pour ces cas, le réacteur dot être doté de surfaces d échange thermque capables de transférer la chaleur correspondante dans le sens convenable. On dstngue souvent les deux cas partculers suvants : v Réacteur sotherme : est réalsé s l on utlse un réacteur contnu parfatement agté en régme statonnare, alors que c est un cas lmte déal dès lors que l on consdère un réacteur du type tubulare. Là encore, l assmlaton d un cas pratque à un réacteur tubulare déal et sotherme peut parfos consttuer une approxmaton acceptable. v Réacteur adabatque : Le réacteur adabatque, souvent rencontré ndustrellement, consttue par contre smplement un cas partculer du cas général correspondant à une surface d échange nulle. On peut noter que des dfférencatons d apparence, ont a 8

24 Chaptre : Parte bblographque assez souvent pour orgne la localsaton de la surface d échange thermque. En effet, on peut réalser l échange thermque : -à l ntéreur du réacteur ; -à travers les paros du réacteur ; -à l extéreur du réacteur. S, de plus, on prend en compte le nveau de température auquel cet échange a leu, on aboutt à des apparellages très varés, dans lesquels l échange peut se fare, par exemple, par radaton d une flamme vers le tube réactonnel, par crculaton d un flude caloporteur dans un échangeur nterne ou par crculaton du mleu réactonnel dans un échangeur externe dont la talle peut largement excéder celle du réacteur proprement dt. C est ans que l on aboutt à des réacteurs ayant l apparence de fours, de ballons-tampons ou d échangeurs thermques. À partr des crtères que l on vent d évoquer, l est possble de dresser une classfcaton des dvers réacteurs rencontrés en pratque présentée sur le tableau (.). 9

25 Chaptre : Parte bblographque Tableau. : Classfcaton des réacteurs avec ndcaton de la fréquence d utlsaton et exemple d applcaton [5]. Mode d opératon Contnu Phase en présence Dscontnu Parfatement Tubulare Etagé agté Une (3) () () (3) seule Polymérsaton Producton Polymérsaton Estérfcaton Lqude phase durée flude (3) (3) () (3) Fermentaton Absorpton de Oxydaton Tratement Gaz-lqude Deux polluants d hydrocarbures bologque phases d eaux fludes () () () () Lqudelqude Sulfonaton Hydrolyse Polymérsaton Ntraton d aromatques d esters en émulson d aromatques (3) (3)Lt fxe ()Lt flude à (3)Lt flude Fludes + solde Hydrogénaton ()Lt moble étages Crackng catalyseur Reformage catalytque () ()Lt moble ()Lt flude () Fludes + soldes Régénératon Haut fourneau Grllage de Combuston de catalyseurs mneras en lt fludsé Fréquence d utlsaton : () plus rarement rencontré ; (3) réalsaton préférée ; () souvent rencontré ; 0

26 Chaptre : Parte bblographque.3.. Rsques thermques et sécurté des réacteurs De nombreux accdents ndustrels ont été provoqués par des réactons chmques dont la mse en uvre n'a pas été maîtrsée (emballement thermque des masses réactonnelles, réactons secondares non désrées...). Le phénomène d emballement thermque comme le montre la fgure (.) correspond à la perte de contrôle de la température d une substance chmque ou d un mleu réactonnel placés au sen d une encente ou d un système fermé. Lors de la mse en oeuvre d un procédé, ce phénomène est susceptble de se produre quand la quantté de chaleur produte au sen du mleu réactonnel est supéreure à la quantté de chaleur évacuable vers l extéreur. La producton de chaleur au sen d un mleu réactonnel peut être due à une transformaton physque exothermque (crstallsatons, mélanges...) ou chmque. Dans ce derner cas, le mleu réactonnel peut subr une élévaton de température: [], [8] - du fat de l exothermcté d une réacton chmque (prncpale ou secondare, désrée ou non), - lorsqu l est composé de substances qu sont portées à une température supéreure à leur température de décomposton, - lorsqu l est composé de substances dont la décomposton est autocatalytque, - lorsqu l est le sège d une réacton produsant des gaz.

27 Chaptre : Parte bblographque Température TMRS: température maxmale de la réacton de synthèse TIE : temps d nducton de l exploson Réacton de décomposton TIE TMRS Perte de contrôle de Température Température du procédé Non refrodssement du procédé Contrôle du procédé Temps Fgure.: Scénaro d emballement thermque dans une réacton chmque [8]. Descrpton synthétque du phénomène d emballement thermque La producton de chaleur, ou la pussance thermque d une réacton chmque (dqp /dt), est proportonnelle au volume du mleu réactonnel, V, à l enthalpe de la réacton, HR et à la vtesse de réacton, r ; cette dernère étant elle-même une foncton exponentelle de la température, d après la lo d Arrhenus [8], [5], [9], [7]. r 0 = k exp ( E RTr ). f ( x ) (.) Avec : r : vtesse de réacton en mole/l/s ; f (x ) : foncton du taux d avancement de la réacton ; E : énerge d actvaton de la réacton en J/mole ; R : constante des gaz parfats (8,3 J/mole/K) ; Tr : température en K ; k 0 : facteur de fréquence ou exponentel de la vtesse de la réacton.

28 Chaptre : Parte bblographque On a, dans le cas d un mleu parfatement homogène: dq p dt Avec : = r V..( Η ) (.) r r : vtesse de réacton en mole/m 3 /s ; (dqp/dt ) : pussance thermque de la réacton en kw ; V : volume du mleu réactonnel en m 3; ; H r : enthalpe de la réacton en kj/mole ; L évacuaton de chaleur du fat des échanges thermques avec le mleu extéreur est quant à elle proportonnelle au gradent de température établ entre le mleu réactonnel et le système de refrodssement, Tr TC, à la surface d échange de chaleur, A, ans qu au coeffcent global de transfert de chaleur, U [0], [], []. dq On a, dans un mleu parfatement homogène: E dt = U.A.(Tr Tc ) (.3) Avec : (dqe /dt) : pussance du refrodssement en kw ; U : coeffcent global de transfert de chaleur en kj/s/m /K ; A : surface d échange en m ; Tr : température du mleu réactonnel en K ; TC : température du système de refrodssement. Dans ce cas, l se produt une accumulaton de chaleur qu se tradut par une élévaton de température du mleu. Lorsque la pussance du système de refrodssement est nféreure à celle de la réacton, l se produt, au sen d un mleu parfatement homogène, une accumulaton de chaleur qu se tradut par une élévaton de température du mleu suvant l équaton: [8], [5], [9], [7]. mr.cpr dtr dt = r V..( Hr ) U.A.(Tr Tc ) (.4) Avec : dt/dt : vtesse de montée de la température en K/s ; Cp r : capacté calorfque du mleu réactonnel en kj/kg/k ; m r : masse du mleu réactonnel en kg. 3

29 Chaptre : Parte bblographque Cette augmentaton de température provoque une accélératon de la réacton, qu à son tour, augmente la pussance thermque de la réacton. Dans la mesure où cette dernère augmente exponentellement avec la température, tands que la pussance de refrodssement n augmente que lnéarement, la température du mleu réactonnel va croître de plus en plus rapdement: c est l emballement de la réacton. A haute température, cet emballement s accompagne de l émsson d une phase gazeuse de plus en plus mportante, résultant de la producton de gaz de décomposton ncondensables et/ou de l augmentaton de la tenson de vapeur du mélange réactonnel. Lorsque la presson attent la presson de rupture des partes les plus fragles de l encente contenant le mleu réactonnel (dsque de rupture, équpements en verre,...), ces dernères sont susceptbles d éclater en lbérant brutalement une mportante quantté d énerge, ans que des produts éventuellement toxques ou nflammables [], [8]. Le blan thermque résulte d un modèle smplfé qu suppose un comportement parfatement homogène du mleu, la température et la composton étant supposées unformes. Dans certans cas rencontrés dans l ndustre, ce blan peut être beaucoup plus complexe, partculèrement lorsque le système réactonnel adopte un comportement hétérogène.. Causes des prncpaux accdents d emballement thermque survenus ces 5 dernères années (Étude réalsée par l INERIS Insttut Natonal de l Envronnement Industrel et des Rsques de France, 00)[8] 0,5 % : erreur de chargement des réactfs 6,5 % : mauvase maîtrse et contrôle de la température 5 % : mantenance mparfate 3,5 % : manque de connassance du procédé % : problème d agtaton % : erreur ndvduelle 6,5 % : manque de contrôle de formulatons des réactfs 3,5 % : manque de connassance du domane de sécurté du procédé,5 % : mélange de produts ncompatbles 4

30 Chaptre : Parte bblographque 3. Prncpales réactons chmques mplquées dans les accdents Sur la base de 89 accdents recensés de 96 à 984 (Étude réalsée par l INERIS Insttut Natonal de l Envronnement Industrel et des Rsques de France) 34 % : les polymérsatons, 8 % : les ntratons, 7 % : les sulfonatons, 5 % : les réactons d hydrolyse, 4 % : les salfcatons, 4 % : les halogénatons, 38% autres. Les conséquences de tels accdents sont souvent mportantes dans la mesure où une réacton chmque non désrée ou non contrôlée est susceptble, suvant les réactfs ms en uvre, de donner matère à la fos à une exploson et à l'émsson de produts toxques ou nflammables dans l'envronnement. L'évaluaton de la sécurté des réactons chmques dans l'ndustre repose donc sur l'dentfcaton des dangers nhérents à ces réactons : - Dans les condtons prévues de mse en uvre du procédé. - Dans le cas de dérves des paramètres opératores du procédé. La préventon de l emballement thermque nécesste donc : Le contrôle thermque des réacteurs par système de refrodssement. la connassance précse du comportement et de l évoluton des mleux réactonnels pour des fonctonnements normaux et dégradés ; l étude de la stablté des mleux réactonnels aux nveaux des températures obtenues en rason d un fonctonnement dégradé..4. Chme fne et réacteur dscontnu A la fn du vngtème sècle et le début de ce sècle, l ndustre de chme fne et de spécaltés représente une part mportante et prometteuse de l ndustre chmque des pays ndustralsés. Les produts chmques fns et de spécalté, de molécules généralement complexes (fabrquées en pluseurs étapes réactonnelles) et à forte valeur ajoutée, correspondent généralement à des tonnages lmtés. Les marchés de ces produts subssent des fluctuatons ncessantes et une très vve concurrence. Ans, les produts évoluent très rapdement et n ont qu une durée de ve très courte.donc, la fabrcaton des produts à haute valeur ajoutée sous la contrante d obtenr une bonne qualté et le mondre coût, est un enjeu très mportant pour les ngéneurs de procédés. Cela nécesste de fare fonctonner les nstallatons ndustrelles de façon plus rentable tout en conservant leur polyvalence [3], [4], []. 5

31 Chaptre : Parte bblographque.4.. Le réacteur dscontnu (batch reactor) La fabrcaton des produts de chme fne a mantenu et même augmenter l utlsaton des réacteurs dscontnus. Le réacteur dscontnu est l apparellage le plus smple que l on pusse envsager pour réalser une transformaton chmque. Il consste en un récpent dans lequel les réactfs sont ntroduts au début de l opératon; après mse en condtons de température et de presson, la transformaton se déroule jusqu à l obtenton du taux de converson désré. On peut donc schématser cet apparellage par la fgure (.3), les éléments essentels étant : [5], [], [5] un récpent capable de contenr un volume V de flude réactonnel, l a souvent une forme cylndrque vertcale avec fond sphérque. Sa constructon est telle qu l pourra résster au vde et/ou à une certane presson nterne. Le matérau retenu pour le réalser est souvent de l acer vtrfé consttue du fat de sa résstance à la corroson et de sa faclté de nettoyage ; une surface utlsable pour l échange thermque qu peut être localsée à l ntéreur du réacteur (serpentn, plaques), à l extéreur (échangeur classque sur la phase lqude ou condenseur sur la phase vapeur) ou consttuer la paro du réacteur (double enveloppe); un système d agtaton pour mélanger les réactfs au début de l opératon et proumevor le transfert thermque avec la surface d échange. Ans décrt, cet apparel apparaît ben adapté pour réalser une réacton en phase lqude, mas dffclement applcable au cas d une phase gazeuse.. Ce type de réacteur présente de nombreux avantages : Il est dentque, dans son prncpe, au ballon de laboratore où est effectuée ntalement la réacton et auquel les chmstes sont ben habtués ; Il est polyvalent qu permet d utlser un seul réacteur pour réalser successvement dverses fabrcatons. Cette qualté est partculèrement apprécée lorsqu un grand nombre de produts dfférents sont à fabrquer en quanttés relatvement fables (cas de l ndustre pharmaceutque, par exemple) ; Il est effcace sur le plan cnétque pusque tout au long de la réacton les réactfs sont à la concentraton optmale ; Il peut fonctonner : en dscontnu ou en sem-contnu, c est l exemple classque des réactons très exothermques, des chloratons, estérfcatons, etc [6], [9]; 6

32 Chaptre : Parte bblographque R F D M A A agtateur F flude thermque B tube pour vdange du réacteur D double-enveloppe F B M mélange réactonnel R tube pour remplssage du réacteur Fgure.3: Réacteur monophasque dscontnu [5] Ce réacteur dscontnu ou sem-contnu présente cependant l nconvnent d mplquer de nombreuse manpulaton et donc d entraîner des fras de fonctonnement très élevés. Les temps correspondant au chauffage et au refrodssement du mélange réactonnel sont souvent consdérables par rapport au temps pendant lequel se déroule effectvement la réacton [3]. Les réacteurs contnus, très employés, quant à eux, en chme lourde, relatvement mal connus en chme fne, car ls n ont pas la souplesse du réacteur batch mas car ls mplquent une approche de type géne chmque. Celle-c mpose une connassance de la cnétque de la réacton ans que l emplo de modèle de réacteur, méthodologe dffcle à mettre en uvre pour des modes opératores complexes et donc peu utlsée par les chmstes de la chme fne. Face a des crtères de marchés de plus en plus strcts, la rentablté des nstallatons est devenue un enjeu mportant pour les ngéneurs de procédés. Le contrôle des réacteurs dscontnus ou sem-contnus représente une étape très mportante qu condtonne le succès de l actvté [7]. 7

33 Chaptre : Parte bblographque.5. Contrôle thermque d un réacteur dscontnu Un bon contrôle des réacteurs dscontnus est souvent dffcle à réalser [8]. La dffculté provent d une part de la nature dscontnue des modes opératores et d autre part du caractère polyvalent de l apparel. Donc le contrôle de ces réacteurs est un problème de contrôle de la température [9]. En rason de la complexté du mélange réactonnel et la dffculté de mesurer en lgne les compostons chmques, et le type de réactons qu s'accompagnent généralement du dégagement (ou de la consommaton) d'une quantté d'énerge qu'l mporte de connaître à l'échelle ndustrelle. Certanes substances, dans certans mélanges, se décomposent en lbérant des quanttés d'énerge qu, dans un contexte ndustrel, peuvent condure à des accdents terrbles. Les seules nformatons faclement dsponbles sur le fonctonnement du réacteur sont les données thermques (température du mleu réactonnel, température d entrée et température de sorte du flude crculant dans la doubleenveloppe) [0], []. Le paramètre qu condtonne la bonne condute thermque de ces réacteurs est le système de chauffage/refrodssement qu équpe le réacteur. Ce système dot être performant pour qu l pusse répondre aux exgences opératores. La nature du système thermque joue un rôle mportant car le contrôle de la température du mélange réactonnel se fat ndrectement en agssant sur la varable de ce système (débt du flude caloporteur à l entrée de la doubleenveloppe dans un système multflude ou ben sa température dans un système monoflude) [3]. Nous avons toujours ntérêt à utlser un débt maxmal dans la double enveloppe ndusant un régme turbulent fort qu est dmensonné pour les lmtes technologques des équpements: la presson maxmale admssble dans la double enveloppe, qu se tradut en terme de perte de charge entre l entrée et la sorte et la cavtaton de la pompe de crculaton [], [3], [4]. 8

34 Chaptre : Parte bblographque.6. Système de Chauffage/Refrodssement.6.. Système de chauffage/refrodssement multflude Le contrôle thermque d un réacteur dscontnu à double-enveloppe équpé d un système de chauffage-refrodssement à fludes alternés, dt «multflude» est basé sur l utlsaton alternée de pluseurs fludes caloporteurs à températures fxes (eau frode, eau glycolée, vapeur, ) ; Le mleu réactonnel est surchauffé ou refrod selon les besons par échange thermque avec un flude caloporteur crculant dans la double-enveloppe. Ce flude est chos parm pluseurs fludes dsponbles sur le réseau. Son utlsaton dans le domane de la chme fne et de spécaltés est très mportante. En fat, plus de 90% des réacteurs ndustrels sont équpés d un système de chauffage/refrodssement à fludes alternés [5], []. Le contrôle thermque du réacteur à fludes alternés est lon d être un sujet trval. Premèrement, l enchaînement des dfférentes étapes : préchauffage, réacton, refrodssement, nécesste des changements de flude caloporteur, ce qu crée de fortes dscontnutés dans le fonctonnement du procédé. Chaque changement de flude caloporteur s accompagne oblgatorement d une purge de la double-enveloppe avant l almentaton avec un autre flude caloporteur (ces temps de purge peuvent être relatvement mportants sur des réacteurs de grande talle de l ordre de 4 ou 5 mnutes par exemple pour un réacteur de 000 ltres). Cec ndut des dynamques non maîtrsées et par conséquent une dégradaton de la qualté de contrôle et auss une dégradaton de la qualté du transfert de chaleur causé par le changement du régme d écoulement [6], []. De plus, le procédé a un comportement non lnéare, surtout en phase de remplssage et de purge de la double-enveloppe (l almentaton d un flude caloporteur, après une purge, se fat dans une double-enveloppe vde). Une alternatve à ce système qu équpe un certan nombre d ateler ndustrel est le système monoflude [7]..6.. Système de chauffage/refrodssement monoflude Ce système est basé sur l utlsaton d un seul flude caloporteur pour le chauffage et le refrodssement du mélange réactonnel. Le chauffage et le refrodssement sont assurés par la mse en place sur le crcut thermque d apparels comme des échangeurs de chaleurs, crayon chauffant, [8]. Parm les nombreux avantages de ce système, on peut cter les suvants : [] Un seul flude pour le chauffage et le refrodssement, ce qu permet d élmner les problèmes d nter-contamnaton entre les dfférentes utltés ; 9

35 Chaptre : Parte bblographque Une évoluton contnue de la température de la double-enveloppe, cela évte les problèmes de chocs thermques ; L absence de purge ce qu élmne les problèmes de dscontnuté ; Des performances quas constantes de transfert thermques Les sources de chauffage/ refrodssement Les fludes thermques qu on va cté peuvent être utlsés pour le chauffage et pour le refrodssement mas favorsent une opératon par rapport à l autre.. Sources de chauffage Vapeur : le flude de chauffage déal. La grande pussance dsponble par unté de surface d échange est due au prncpe du transfert thermque par changement de phase: condensaton de vapeur d eau. Electrcté : lorsque la vapeur n est pas dsponble ou lorsque la température à attendre est supéreure à la température de la vapeur. La pussance est dsponble par effet Joule à l ade de thermoplongeurs, d épngles électrques. Il exste auss un procédé de chauffage d un flude thermque par nducton dans un crayon chauffant. Entre la vapeur et l électrcté, la vapeur aura toujours une melleure effcacté à basse température. Le relas sera prs par l électrcté lorsque la température de la boucle approchera la température de la vapeur [7].. Sources de refrodssement [3], [] Généralement, sauf excepton, l énerge est transférée par échange thermque lqudelqude sans transformaton de phase : Eau : Eau de vlle, de forage, de tour atmosphérque resttuée à une température supéreure à la température de la source. C est l énerge de refrodssement la mons chère lorsqu elle est dsponble. La tendance est de l utlser mons souvent pour des rasons d envronnement. La température est foncton des condtons clmatques du ste et est souvent trop élevée. Eau glacée : Réseau d eau en boucle vers +5 à +7 C dont les frgores sont produtes par un groupe frgorfque. Eau glycolée : Eau contenant de 0% à 50% de monoéthylène glycol ou de monopropylène glycol, vore d éthanol. Le réseau en boucle vers 0 à 30 C est 0

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