Chapitre III : Approche de la cinétique en réacteur ouvert I- LES DIFFERENTS TYPES DE REACTEURS Types d opération... 2

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1 Cours V : Cnétque Chaptre III : Approche de la cnétque en réacteur ouvert Plan : ********************** I- LES DIFFERENTS TYPES DE REACTEURS Types d opératon Types de réacteurs chmques Classement des réacteurs selon le degré de mélange Assocatons de réacteurs... 5 II- BILAN DE MATIERE EN REACTEUR OUVERT Varables de composton chmque Fracton de dssocaton et noton de taux de converson Vtesse de réacton, vtesse de dsparton d un réactf R et vtesse de formaton d un produt P Exemple de blan pour un réacteur ouvert Temps de passage ********************** Page 1 Claude Anes EduKlub S.A

2 Cours V : Cnétque Chaptre III : Approche de la cnétque en réacteur ouvert La foncton essentelle du réacteur est de fournr un espace délmté des condtons ambantes extéreures par une surface. Cette surface peut être : - athermane : pas d échange de chaleur avec l extéreur contrarement à une surface dathermane ; - perméable : échange de matère avec l extéreur. Le système est alors dt fermé. Cette surface consttue l enveloppe d un volume où la transformaton chmque se produt dans de bonnes condtons de transfert de chaleur et de matère. Le but recherché est d obtenr un rendement ou une sélectvté optmale. Le marage réacteur-réacton chmque va être prncpalement condtonné par 3 facteurs spécfques, à savor : - l'opératon - le réacteur - et le type de transformaton chmque. Au laboratore, on réalse en général les transformatons chmque en système fermé. En effet, les quanttés fables de réactf utlsées autorsent ce type de protocole expérmental dscontnu. Au contrare, les ndustrels préfèrent réalser les transformatons chmques en système ouvert pour des rasons pratques. Il y a dans ce cas échange de matère avec l extéreur, notamment quand les réactfs et les produts de réacton sont dans un état gazeux. L'almentaton en contnue d'un réacteur chmque et la récupératon en sorte du mélange réactonnel permettent ans un fonctonnement permanent du réacteur. Par alleurs, les ndustrels utlsent très souvent des catalyseurs. Ces espèces chmques permettent d'accélérer fortement les réactons et donc de rédure les temps de passage dans les réacteurs. On utlse auss en système fermé des catalyseurs pour des réactons qu sans cela seraent trop lentes. Le géne chmque correspond à l'applcaton des domanes de la chme tels que la thermodynamque, la cnétque et la sécurté à l'échelle ndustrelle. Le géne chmque conçot des réacteurs de talle adaptée pour un bon fonctonnement, un respect des contrantes économques et envronnementales. Ce paragraphe de cours aborde la cnétque et les blans de matère en réacteur ouvert. I- Les dfférents types de réacteurs 1- Types d opératon Il est reconnu qu'un réacteur peut fonctonner selon tros sortes d'opératons : - dscontnue ; - sem-contnue ; - contnue a- Opératon dscontnue Dans une opératon dscontnue, les réactfs sont chargés dans le réacteur en début d'opératon. Les produts sont retrés quand la transformaton est consdérée comme termnée. Le système est alors dt fermé. C est le cas des transformatons chmques étudées au laboratore. Page 2 Claude Anes EduKlub S.A

3 b- Opératon sem-contnue Un des réactfs ou un des produts est constamment ajouté ou soutré du réacteur, alors que les autres sont tratés comme dans une opératon dscontnue. Le système est alors dt sem-ouvert ou semfermé. C est par exemple le cas lorsque le doxygène gazeux est utlsé en tant que réactf dans des réactons d oxydoréducton ou de combuston. Il est pusé en contnu de l ar ambant. c- Opératon contnue Dans une opératon contnue, les réactfs et les produts sont constamment chargés et soutrés du réacteur. Le système est alors dt ouvert. 2- Types de réacteurs chmques On consdère qu'l y a deux types de réacteur ndustrel : - la cuve - et le tube a- Réacteur dscontnu à cuve agtée Le réacteur dscontnu peut être une cuve. Il s agt d un récpent pour lequel les tros dmensons sont comparables. Il est presque toujours mun d'un dspostf qu assure une agtaton mécanque du mélange réactonnel. Le mleu réactonnel est alors homogène, la composton chmque étant unforme dans tout le volume du réacteur. Le rapport surface sur volume n'est pas très grand pour ce type de réacteur. Lors de la charge d un réacteur dscontnu à cuve agtée, l y a ntroducton de réactfs à température T et presson P fxées par l opérateur. La transformaton chmque a leu sans échange de matère avec l'extéreur. Le système est donc fermé. A la fn de la réacton, le réacteur est vdangé pour élmner les produts formés et les réactfs n'ayant pas réag. Les exemples de ce type de réacteur sont : - des ballons ou des béchers utlsés en TP - ou cuve dont le schéma est représenté c-dessous : Schéma d un réacteur dscontnu à cuve agtée Page 3 Claude Anes EduKlub S.A

4 b- Réacteur contnu à cuve agtée et tubulare Le réacteur contnu est en général : - une cuve agtée dans laquelle un système d agtaton mécanque est prévu. Ce système assure que le mleu réactonnel est homogène. - ou un tube caractérsé pour ce derner par une certane longueur où le mélange réactonnel se déplace à la manère d'un pston. Le rapport surface sur volume est assez grand. Tous les réactfs sont ntroduts à l entrée du réacteur (almentaton) et tous les consttuants en sont extrats par soutrage (sorte) par un courant total de matère qu s'établt dans le réacteur ouvert. Le schéma d un réacteur contnu ndustrel à cuve agtée est le suvant : Schéma d un réacteur contnu à cuve agtée En ce qu concerne le réacteur tube ou réacteur pston, l'opératon sera toujours contnue et réalsée sot dans un seul tube assez long, sot dans pluseurs tubes dentques placés en parallèle. Dans ce derner cas, on parle de réacteur multtubulare. La fgure suvante est un exemple de ce type de réacteur contnu ouvert : Schéma d un réacteur contnu tubulare Page 4 Claude Anes EduKlub S.A

5 Dans ce type de réacteur contnu ouvert, le flude réactonnel crcule en général dans les tubes tands qu un flude caloporteur enrobe les tubes et crcule dans l'enveloppe. Le flude réactonnel peut être gazeux ou lqude. Le flude caloporteur est adapté aux condtons de l'échange thermque à assurer avec l extéreur. Ce type de réacteur est ntéressant pour les productons mportantes. Il est utlsé quand les réactons sont rapdes et qu'elles nécesstent de forts échanges thermques. Ce réacteur est également ben adapté pour fonctonner sous presson. Les désavantages vennent de l'encombrement (tube de pluseurs mètres) et des rsques de bouchage. Un derner type de réacteur tube assez courant est le four tubulare qu est appropré aux transformatons chmques endothermques (nécesstant un apport de chaleur pour avor leu). Un combustble est brûlé dans un four réfractare complètement garn de tubes. La chaleur est transmse aux tubes par radaton (dans le four) et par convecton (à la sorte du four et à la chemnée). La transformaton chmque se déroule à l'ntéreur des tubes portés à la température requse. c- Réacteur sem-contnu Durant une transformaton chmque ayant leu dans un réacteur sem-contnu, l y a échange de matère avec l'extéreur. Il exste cependant une espèces chmque actve (réactf ou produt) qu n'est n apportée, n extrate du réacteur. L oxydaton ou combuston d'un hydrocarbure dans un moteur à exploson, une tuyère ou une chaudère thermque nécesste d utlser un réacteur sem-contnu. Le doxygène de l ar est ntrodut au fur et à mesure de la combuston. 3- Classement des réacteurs selon le degré de mélange a- Parfate agtaton La composton chmque (par exemple la concentraton) est unforme à tout nstant dans tout le réacteur grâce à un système d agtaton mécanque. Une seule phase est généralement présente dans le réacteur. b- Réacteurs à écoulement pston (cas des réacteurs ouverts) Ce type de réacteurs met en jeu : une progresson en tranches successves des réactfs et des produts ; aucun échange de matère entre les tranches ; une varaton contnue de la composton. Il s'agt de deux modèles lmtes de réacteurs! 4- Assocatons de réacteurs Assocer des réacteurs, c'est les dsposer en parallèle ou en sére. a- Assocaton de réacteur en sére L'assocaton de réacteurs en sére vse à pouvor attendre une converson fnale par palers successfs la plus élevée possble. Cette assocaton permet une nterventon extéreure entre chaque réacteur, comme par exemple : - refrodr ou réchauffer le mélange réactonnel, - rénjecter du réactf, - fare un soutrage b- Assocaton de réacteur en parallèle L'assocaton de réacteurs en parallèle vse à augmenter la capacté de producton de la secton réactonnelle. Page 5 Claude Anes EduKlub S.A

6 Cette assocaton est partculèrement ntéressante : - lorsque la vtesse de réacton est lente - ou encore lorsque la converson que l'on peut obtenr est fable. Cette assocaton ne permet pas d augmenter le taux de converson en réactf. II- Blan de matère en réacteur ouvert 1- Varables de composton chmque Les varables de composton chmque sont foncton des états physques des espèces chmques. On dstngue tros types d état physque : - gazeux pour lequel on supposera que les gaz ont un comportement de gaz parfat ; - lqude ou solde (état physque dt condensé) ; - soluté : une espèce chmque est dssoute dans un solvant. Pour chacun de ces états physques, des paramètres de composton chmques adéquats sont utlsés pour réalser des blans de matère. a- Etat physque gazeux - Fracton molare Pour des espèces chmques gazeuses en mélange, on peut défnr la fracton molare y de chacune de ces espèces chmques notées. La fracton molare y en espèce chmque gazeuse en mélange se défnt comme le rapport de la quantté de matère en sur la quantté de matère totale en consttuant gazeux, sot : n y = n Page 6 Claude Anes EduKlub S.A gaz n quantté de matère en espèce chmque gazeuse n quantté de matère totale en consttuant gazeux gaz La fracton molare est une grandeur ntensve : elle est ndépendante de la talle du système. - Presson totale pour des gaz parfats Pour des gaz ayant un comportement de gaz parfats, la presson totale P s exprme selon la lo : RT gaz P = V T température (en degré Kelvn) V volume du réacteur contenant les consttuant gazeux (en m 3 ) n quantté de matère en espèce chmque gazeuse (en mol) R constante des gaz parfat (R = 8,314 J.K -1.mol -1 ) La presson s exprme alors en Pascal. On rappelle les conversons suvantes d unté : 1 bar = 10 5 Pa 1 atm = 760 mmhg = 1,013 bar = 1, Pa - Presson partelle d un gaz parfat La presson partelle P d une espèce chmque gazeuse en mélange et ayant un comportement de gaz parfat est la presson exercée par la seule espèce chmque gazeuse à la température T et volume V du mélange. n