Réacteur (chimie)

Réacteur continu

Les hypothèses liées au modèle du réacteur continu 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 : ENTRÉE + SOURCE + PUITS = SORTIE.

Un tel bilan est dit stationnaire (propriété du réacteur continu après sa phase de démarrage c'est-à-dire dans sa phase de production), c'est-à-dire que la température ainsi que les concentrations des composants du milieu ne changent pas avec le temps. Mathématiquement il en résulte :

bilan de matière : ${\displaystyle 0={\dot {V}}\cdot (C_{i,{\text{entrée}}}-C_{i,{\text{sortie}}})+R_{i}\cdot V}$ ;

bilan d'énergie : ${\displaystyle 0=\rho \cdot C_{p}\cdot {\dot {V}}\cdot (T_{\text{entrée}}-T_{\text{réacteur}})+U\cdot A\cdot (T_{\text{manteau}}-T_{\text{réacteur}})+R\cdot -\Delta _{r}H\cdot V}$.

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 conversion 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 batch

Les hypothèses liées au modèle du réacteur discontinu 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'est-à-dire 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 :   ${\displaystyle V\cdot {\frac {dC_{i}}{dt}}=R_{i}\cdot V}$ ;

bilan d'énergie (trois possibilités) :

• mode polytropique :    ${\displaystyle m\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dt}}=U\cdot A\cdot (T_{\text{manteau}}-T_{\text{réacteur}})+R\cdot -\Delta _{r}H\cdot V}$,

• mode isotherme :       ${\displaystyle 0=U\cdot A\cdot (T_{\text{manteau}}-T_{\text{réacteur}})+R\cdot -\Delta _{r}H\cdot V}$,

• mode adiabatique :     ${\displaystyle m\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dt}}=R\cdot -\Delta _{r}H\cdot V}$.

Avantages :

• Installation simple et offrant une très grande polyvalence.
• Permet des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires (notamment changement de la température).

Désavantages :

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

Réacteur piston

Les hypothèses liées au modèle du réacteur piston sont les suivantes :

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

Il satisfait au bilan suivant : ENTRÉE + SOURCE + PUITS = SORTIE.

Le réacteur est considéré à l'état stationnaire, mais possède un profil de température et de concentration en fonction de son axe. On considère non pas le réacteur dans sa totalité, mais on le divise en fine tranche, ce qui permet d'écrire :

bilan de matière : ${\displaystyle {\frac {dC_{i}}{dt}}=R_{i}}$ pour une tranche d'épaisseur dL et de volume dV ;

bilan d'énergie : ${\displaystyle {\dot {m}}\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dV}}=U\cdot dA\cdot (T_{\text{manteau}}-T_{\text{réacteur}})+R\cdot -\Delta _{r}H}$.

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).

Le réacteur à lit fixe est un type de réacteur à écoulement piston. Il est principalement 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) placé 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

Le réacteur semi-continu est très semblable 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 = ENTRÉE + SOURCE + PUITS.

Bilan de matière :      ${\displaystyle V\cdot {\frac {dC_{i}}{dt}}=R_{i}\cdot V+{\dot {V}}\cdot C_{i,{\text{entrée}}}}$.

Bilan d'énergie (trois possibilités) :

• mode polytropique :   ${\displaystyle m\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dt}}=U\cdot A\cdot (T_{\text{manteau}}-T_{\text{réacteur}})+R\cdot -\Delta _{r}H\cdot V+\rho \cdot C_{p}\cdot {\dot {V}}\cdot (T_{\text{entrée}}-T_{\text{réacteur}})}$ ;

• mode isotherme :      ${\displaystyle 0=U\cdot A\cdot (T_{\text{manteau}}-T_{\text{réacteur}})+R\cdot -\Delta _{r}H\cdot V+\rho \cdot C_{p}\cdot {\dot {V}}\cdot (T_{\text{entrée}}-T_{\text{réacteur}})}$ ;
• mode adiabatique :    ${\displaystyle m\cdot C_{p}\cdot {\frac {dT}{dt}}=R\cdot -\Delta _{r}H\cdot V+\rho \cdot C_{p}\cdot {\dot {V}}\cdot (T_{\text{entrée}}-T_{\text{réacteur}})}$.

Bilan de volume :       ${\displaystyle {\frac {dV}{dt}}={\dot {V}}}$.

Avantages :

• Permet un contrôle de la concentration (meilleure sécurité).
• Permet des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires (notamment changement de la concentration des réactifs).
• Meilleure conversion 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 (remplissage, vidange, nettoyage) qui nuit à la performance.

Il s'agit en général 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 couramment utilisé lorsque la conversion est faible dans le réacteur, afin d'augmenter les rendements.

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 très élevés. Les réacteurs peuvent s'associer en série ou en parallèle.