PLAN DE COURS Hiver 2011

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1 PLAN DE COURS Hiver 2011 GCH Calcul des réacteurs chimiques Informations générales Crédits : 3 Temps consacré : Mode d'enseignement : Présentiel Site Web : Intranet Pixel : Enseignant(s) : Garnier, Alain alain.garnier@gch.ulaval.ca Responsable : Garnier, Alain alain.garnier@gch.ulaval.ca Description sommaire Réacteurs homogènes: réacteurs idéaux isothermes, régimes stationnaires et transitoires, réactions simples et réactions composées. Réacteurs non idéaux, distribution des temps de séjour, modèle de dispersion, modèles mixtes. Réacteurs non isothermes. Profils optimums de température. Bilans thermiques et stabilité des réacteurs. Réacteurs hétérogènes: réacteurs gaz-liquide. Réacteurs gaz-solide non catalytiques. Problèmes choisis en catalyse hétérogène. Horaire et disponibilités Cours en classe : Lundi 10h30 à 12h20 PLT-2512 Jeudi 10h30 à 12h20 PLT-2569 Objectifs Comme son nom l'indique, ce cours comporte l'étude des principes physiques et chimiques et des techniques mathématiques, mis en œuvre pour réaliser les opérations suivantes : Choix du type de réacteur (forme, mode d'alimentation, mode d'agitation); Calcul des dimensions du réacteur pour réaliser la conversion voulue d'un débit donné et donc une production donnée par unité de temps; Calcul des conditions de température, concentration et, éventuellement, pression, en chaque point de l'appareillage. 1/6

2 Il s'agit donc de faire ce que l'on appelle la simulation d'un réacteur qui consiste à établir un modèle mathématique susceptible de le représenter. La complexité de ce modèle dépend de la précision nécessaire. C'est ainsi que, très souvent, un modèle assez grossier où seuls les phénomènes physico-chimiques les plus importants sont pris en considération, suffit à donner des ordres de grandeurs satisfaisants pour les performances d'un réacteur. Ce type de modèle est appelé réacteur idéal. Suivant les besoins, on pourra compliquer les modèles afin de tenir compte dans les calculs de phénomènes plus ou moins secondaires, ce qui permet d'obtenir des représentations de plus en plus proches de la réalité. Mais, au lieu de «calculs des réacteurs», on pourrait aussi appeler ce cours «cinétique chimique appliquée». Il traite en fait des applications des principes de cinétique étudiés dans le cours GCH La simulation ou le calcul des réacteurs ne constituent en réalité qu'un des aspects des applications de la cinétique. Un autre aspect important est celui de l'analyse des procédés ou encore de l'optimisation des réacteurs. Il s'agit là de la détermination des conditions optimales de température, concentration, ph, etc. pour réaliser une réaction, le cas le plus courant étant celui pour lequel la vitesse d'une réaction devra être aussi grande que possible afin que le réacteur soit aussi petit que possible. En d'autres mots, la connaissance de la cinétique d'une réaction permet le choix des conditions opératoires du réacteur optimales, et ceci, de façon rationnelle. Importance en génie chimique Très souvent, le réacteur va être le cœur d'un atelier d'une industrie chimique, car le reste des opérations va dépendre de ses performances. Par exemple, s'il n'y a pas moyen d'obtenir une conversion complète, la suite des opérations devra permettre de séparer les réactifs non convertis des produits pour atteindre la pureté voulue. Le même problème se pose si la réaction est effectuée dans des conditions telles que certains composés sont formés sous l'effet de réactions secondaires. Donc, l'ensemble des opérations nécessaires à la production d'une espèce chimique donnée peut être divisé en deux parties : Le réacteur; Les opérations fondamentales de séparation et purification Le succès et la rentabilité de l'atelier dépendent donc en grande partie de la conception du réacteur. De plus, il s'agit d'un domaine récent qui n'a été réellement développé qu'au cours des 60 dernières années et qui est probablement appelé à constituer la partie la plus caractéristique d'un cours de génie chimique où les autres matières étudiées (transfert de chaleur, écoulement des fluides, etc.) sont également étudiées à divers degrés dans d'autres cours de génie. Réacteurs homogènes et réacteurs hétérogènes Dans le cours de cinétique, nous avons rencontré une division très marquée entre les réactions homogènes susceptibles de se produire en tous les points d'un volume, et les réactions hétérogènes localisées sur une interface, sur une surface de réaction. Il n'est donc pas surprenant de retrouver cette distinction au niveau du calcul des réacteurs. On conçoit facilement que les modèles correspondant aux deux types de réacteurs seront assez différents puisque les phénomènes physico-chimiques sont eux-mêmes différents. 2/6

3 En cinétique hétérogène, on aura souvent besoin d'employer des modèles plus complexes, principalement en raison du fait que la vitesse de la réaction va dépendre fortement des transferts de masse et de chaleur localisés au niveau de l'interface. En conséquence, le contenu du cours est divisé en deux parties couvrant respectivement les domaines de la conception des réacteurs homogènes et de celle des réacteurs hétérogènes. Contenu PARTIE I : Calcul des réacteurs homogènes I. Introduction Classification des réacteurs. Régime transitoire et régime stationnaire. Bilans transitoires : forme macroscopique et forme vectorielle. II. Réacteurs idéaux isothermes Hypothèses fondamentales des modèles de réacteurs idéaux : le réacteur agité discontinu idéal, le réacteur tubulaire idéal, le réacteur continu agité idéal. Exemples de calcul de réacteurs idéaux isothermes en phase liquide. Comparaison des différents types de réacteurs et calcul des cascades. Problème de régime transitoire. Calcul d'un réacteur semi-continu. Régime transitoire dans le réacteur agité. Régime transitoire dans une cascade de réacteurs agités. Exemples de calcul de réacteurs idéaux isothermes en phase vapeur. Calcul de réacteurs pour les réactions composées. Réactions parallèles, notion de rendement instantané. Réactions en série. Réactions compétitives consécutives. III. Réacteurs non idéaux Un exemple simple : le réacteur tubulaire laminaire. Fonctions classiques de distribution des temps de séjour. Utilisation des D.T.S. Modèle de dispersion. Modèles mixtes : caractérisation d'un modèle. Le modèle des réacteurs en série. Le modèle Cholette-Cloutier. Les modèles de réacteurs en lit fluidisé. IV. Rôle de l'échange de chaleur dans les réacteurs chimiques Influences combinées de la température sur l'équilibre thermodynamique et sur la cinétique. Profil optimum de température dans le réacteur tubulaire. Réacteur discontinu non isotherme. Réacteurs tubulaires non isothermes. Modèles à une et à deux dimensions. Bilan thermique et stabilité du réacteur continu agité. PARTIE II : Réacteurs hétérogènes I. Réacteur gaz-liquide 3/6

4 Calcul d'une colonne d'absorption avec réaction chimique. II. Réacteur gaz-solide non catalytique III. Problèmes choisis en catalyse hétérogène Diffusion interne. Facteur d'efficacité. Module de Thiele. Modalités d'évaluation Examen Date Heure Pondération de la note finale Document(s) autorisé(s) Examen partiel Jeudi 24 février h30 à 12h % Manuel obligatoire + notes de cours Examen final Jeudi 21 avril h30 à 12h % Manuel obligatoire + notes de cours Travail Équipes Date Heure Pondération de la note finale 12 travaux hebdom. Individuel Lundi 11 avril h % Détails sur les modalités d'évaluation 12 Devoirs = 33,34% Examen partiel = 33,33% Examen final = 33,33% Pour un total de 100%. La note de passage est de 50%. Échelle des cotes (cycle 1) Échelle des cotes A+ [ ] A [ ] A- [ ] Réussite B+ [ ] B [ ] B- [ ] Réussite C+ [ ] C [ ] C- [ ] Réussite D+ [ ] D [ ] Réussite E [ ] X Échec Abandon sans échec (dans les délais prévus) 4/6

5 Politiques sur les examens Les étudiants qui ont une lettre d'attestation d'accommodations scolaires obtenue auprès d'un conseiller du secteur Accueil et soutien aux étudiants en situation de handicap (ACSESH) doivent rencontrer leur professeur au début de la session afin que des mesures d'accommodation en classe ou lors des évaluations puissent être prévues et planifiés suffisamment à l'avance puis mises en place. Bibliographie Ouvrage obligatoire Fogler, H. Scott, Elements of chemical reaction engineering, Fourth edition, Prentice-Hall, Ouvrages recommandés L'étudiant qui souhaiterait consulter d'autres ouvrages pourrait examiner l'un ou l'autre des livres suivants : H. Kramers et K.R. Westerterp, Elements of Chemical Reactor Design and Operation, Academic Press, N.Y., K.G. Denbigh, Chemical Reactor Theory, Cambridge University Press, R. Aris, Elementary Chemical Reactor Analysis, Prentice Hall, O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, J. Wiley, J.M. Smith, Chemical Engineering Kinetics, McGraw Hill, G.F. Froment et K.. Bischoff, Chemical Reactor Analysis and Design, Wiley, 2 nd edition, Logiciels Excel(MS) MatLab Unisim Politique sur l'utilisation d'appareils électroniques pendant une séance d'évaluation L'utilisation d'appareils électroniques (cellulaire ou autre appareil téléphonique sans fil, pagette, baladeur, agenda électronique, etc.) est interdite au cours d'une séance d'évaluation et de toute autre activité durant laquelle l'enseignant l'interdit. De plus, seuls certains modèles de calculatrices sont autorisés durant les séances d'évaluation. Pour l'année , les modèles suivants sont autorisés : Hewlett Packard Texas Instrument Sharp Casio HP 20S, HP 30S, HP 32S2, HP 33S, HP 35S TI-30Xa, TI-30XIIB, TI-30XIIS, TI-36X, BA35 EL-531*, EL-546*, EL-520* 5/6

6 FX-260, FX-300 MS, FX-300W Plus, FX-991MS, FX-991ES * Calculatrices Sharp: sans considération pour les lettres qui suivent le numéro Dans tous ces cas, la calculatrice doit être validée par une vignette autocollante émise par la COOP étudiante ZONE. Information spécifique aux étudiants de l'école d'actuariat Les calculatrices autorisées lors des examens sont uniquement les modèles répondant aux normes de la Society of Actuaries et de la Casualty Actuarial Society pour leurs examens, soit les modèles Texas Instruments suivants : BA-35 (solaire ou à pile) BA II Plus BA II Plus Professional TI-30Xa TI-30X II (IIS ou IIB) TI-30X MultiView (XS ou XB) Politique sur le plagiat et la fraude académique Règles disciplinaires Tout étudiant qui commet une infraction au Règlement disciplinaire à l'intention des étudiants de l'université Laval dans le cadre du présent cours, notamment en matière de plagiat, est passible des sanctions qui sont prévues dans ce règlement. Il est très important pour tout étudiant de prendre connaissance des articles 28 à 32 du Règlement disciplinaire. Celui-ci peut être consulté à l'adresse suivante: Plagiat Tout étudiant est tenu de respecter les règles relatives au plagiat. Constitue notamment du plagiat le fait de: i) copier textuellement un ou plusieurs passages provenant d'un ouvrage sous format papier ou électronique sans mettre ces passages entre guillemets et sans en mentionner la source; ii) résumer l'idée originale d'un auteur en l'exprimant dans ses propres mots (paraphraser) sans en mentionner la source; iii) traduire partiellement ou totalement un texte sans en mentionner la provenance; iv) remettre un travail copié d'un autre étudiant (avec ou sans l'accord de cet autre étudiant); v) remettre un travail téléchargé d'un site d'achat ou d'échange de travaux scolaires. 6/6