Qu'est-ce qu'un réacteur chimique ? Types de réacteurs chimiques

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-02 13:54

Une réaction chimique est un processus qui conduit à la transformation de réactifs. Elle se caractérise par des modifications qui se traduisent par un ou plusieurs produits différents de l'original. Les réactions chimiques sont de nature différente. Cela dépend du type de réactifs, de la substance obtenue, des conditions et du temps de synthèse, décomposition, déplacement, isomérisation, acido-basique, redox, processus organiques, etc.

Les réacteurs chimiques sont des conteneurs conçus pour effectuer des réactions afin de produire le produit final. Leur conception dépend de divers facteurs et doit fournir un rendement maximal de la manière la plus rentable.

Vues

Il existe trois principaux modèles de base de réacteurs chimiques:

• Périodique.
• Continu agité (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

Ces modèles de base peuvent être modifiés pour répondre aux exigences du procédé chimique.

Réacteur batch

Les unités chimiques de ce type sont utilisées dans les procédés discontinus avec de faibles volumes de production, de longs temps de réaction ou lorsqu'une meilleure sélectivité est obtenue, comme dans certains procédés de polymérisation.

Pour cela, par exemple, des récipients en acier inoxydable sont utilisés, dont le contenu est mélangé avec des lames de travail internes, des bulles de gaz ou à l'aide de pompes. Le contrôle de la température est effectué à l'aide de chemises d'échange de chaleur, de refroidisseurs d'irrigation ou de pompage à travers un échangeur de chaleur.

Les réacteurs discontinus sont actuellement utilisés dans les industries chimiques et agro-alimentaires. Leur automatisation et leur optimisation créent des difficultés, car il est nécessaire de combiner des processus continus et discrets.

Les réacteurs chimiques semi-discontinus combinent un fonctionnement continu et discontinu. Un bioréacteur, par exemple, est périodiquement chargé et émet constamment du dioxyde de carbone, qui doit être éliminé en permanence. De même, dans la réaction de chloration, lorsque le chlore gazeux est l'un des réactifs, s'il n'est pas introduit en continu, la majeure partie se volatilise.

Pour assurer de grands volumes de production, on utilise principalement des réacteurs chimiques continus ou des réservoirs métalliques avec agitateur ou flux continu.

Réacteur agité en continu

Les réactifs liquides sont introduits dans des réservoirs en acier inoxydable. Pour assurer une bonne interaction, ils sont mélangés par les lames de travail. Ainsi, dansDans les réacteurs de ce type, les réactifs sont alimentés en continu dans la première cuve (verticale, en acier), puis ils pénètrent dans les suivantes, tout en étant bien mélangés dans chaque cuve. Bien que la composition du mélange soit homogène dans chaque réservoir individuel, dans l'ensemble du système, la concentration varie d'un réservoir à l'autre.

Le temps moyen qu'une quantité discrète de réactif passe dans un réservoir (temps de séjour) peut être calculé en divisant simplement le volume du réservoir par le débit volumétrique moyen qui le traverse. Le pourcentage d'achèvement attendu de la réaction est calculé à l'aide de la cinétique chimique.

Les réservoirs sont en acier inoxydable ou en alliages, ainsi qu'avec un revêtement en émail.

Quelques aspects importants du NMP

Tous les calculs sont basés sur un mélange parfait. La réaction se déroule à une vitesse liée à la concentration finale. A l'équilibre, le débit doit être égal au débit, sinon le réservoir débordera ou se videra.

Il est souvent rentable de travailler avec plusieurs HPM en série ou en parallèle. Les réservoirs en acier inoxydable assemblés en cascade de cinq ou six unités peuvent se comporter comme un réacteur à écoulement piston. Cela permet à la première unité de fonctionner à une concentration de réactif plus élevée et donc une vitesse de réaction plus rapide. De plus, plusieurs étapes de HPM peuvent être placées dans un réservoir en acier vertical, au lieu que les processus se déroulent dans différents conteneurs.

Dans la version horizontale, l'unité multi-étagée est sectionnée par des cloisons verticales de différentes hauteurs à travers lesquelles le mélange s'écoule en cascades.

Lorsque les réactifs sont mal mélangés ou très différents en densité, un réacteur multi-étagé vertical (chemisé ou inox) est utilisé en mode contre-courant. Ceci est efficace pour effectuer des réactions réversibles.

La petite couche pseudo-liquide est entièrement mélangée. Un grand réacteur à lit fluidisé commercial a une température sensiblement uniforme, mais un mélange de flux miscibles et déplacés et d'états de transition entre eux.

Réacteur chimique à écoulement piston

RPP est un réacteur (inoxydable) dans lequel un ou plusieurs réactifs liquides sont pompés à travers un tuyau ou des tuyaux. Ils sont aussi appelés écoulement tubulaire. Il peut avoir plusieurs tuyaux ou tubes. Les réactifs entrent constamment par une extrémité et les produits sortent par l'autre. Des processus chimiques se produisent lors du passage du mélange.

En RPP, la vitesse de réaction est gradient: à l'entrée elle est très élevée, mais avec une diminution de la concentration des réactifs et une augmentation de la teneur en produits de sortie, sa vitesse ralentit. Habituellement, un état d'équilibre dynamique est atteint.

Les orientations horizontales et verticales des réacteurs sont courantes.

Lorsqu'un transfert de chaleur est nécessaire, des tubes individuels sont chemisés ou un échangeur de chaleur à calandre et tube est utilisé. Dans ce dernier cas, les produits chimiques peuvent êtreà la fois en coque et en tube.

Les conteneurs métalliques de grand diamètre avec buses ou bains sont similaires aux RPP et sont largement utilisés. Certaines configurations utilisent un flux axial et radial, plusieurs coques avec échangeurs de chaleur intégrés, une position de réacteur horizontale ou verticale, etc.

Le récipient de réactif peut être rempli de solides catalytiques ou inertes pour améliorer le contact interfacial dans les réactions hétérogènes.

Il est important dans le RPP que les calculs ne prennent pas en compte le mélange vertical ou horizontal - c'est ce que l'on entend par le terme "écoulement piston". Les réactifs peuvent être introduits dans le réacteur non seulement par l'entrée. Ainsi, il est possible d'obtenir une plus grande efficacité du RPP ou de réduire sa taille et son coût. Les performances du RPP sont généralement supérieures à celles du HPP de même volume. Avec des valeurs égales de volume et de temps dans les réacteurs à piston, la réaction aura un pourcentage d'achèvement plus élevé que dans les unités de mélange.

Équilibre dynamique

Pour la plupart des processus chimiques, il est impossible d'atteindre 100 % d'achèvement. Leur vitesse diminue avec la croissance de cet indicateur jusqu'au moment où le système atteint l'équilibre dynamique (lorsque la réaction totale ou le changement de composition ne se produit pas). Le point d'équilibre pour la plupart des systèmes est inférieur à 100 % d'achèvement du processus. Pour cette raison, il est nécessaire d'effectuer un processus de séparation, tel qu'une distillation, pour séparer les réactifs ou sous-produits restants descible. Ces réactifs peuvent parfois être réutilisés au début d'un procédé tel que le procédé Haber.

Demande de PFA

Les réacteurs à flux de piston sont utilisés pour effectuer la transformation chimique des composés lorsqu'ils se déplacent dans un système de type tube pour des réactions à grande échelle, rapides, homogènes ou hétérogènes, une production continue et des processus générant une chaleur élevée.

Un RPP idéal a un temps de séjour fixe, c'est-à-dire que tout liquide (piston) entrant à l'instant t en sortira à l'instant t + τ, où τ est le temps de séjour dans l'installation.

Les réacteurs chimiques de ce type ont des performances élevées sur de longues périodes, ainsi qu'un excellent transfert de chaleur. Les inconvénients des RPP sont la difficulté à contrôler la température du procédé, qui peut entraîner des fluctuations de température indésirables, et leur coût plus élevé.

Réacteurs catalytiques

Bien que ces types d'unités soient souvent mis en œuvre en tant que RPP, ils nécessitent une maintenance plus complexe. La vitesse d'une réaction catalytique est proportionnelle à la quantité de catalyseur en contact avec les produits chimiques. Dans le cas d'un catalyseur solide et de réactifs liquides, la vitesse des processus est proportionnelle à la surface disponible, à l'apport de produits chimiques et au soutirage de produits et dépend de la présence d'un mélange turbulent.

Une réaction catalytique est en fait souvent en plusieurs étapes. Pas seulementles réactifs initiaux interagissent avec le catalyseur. Certains produits intermédiaires réagissent également avec.

Le comportement des catalyseurs est également important dans la cinétique de ce processus, en particulier dans les réactions pétrochimiques à haute température, car ils sont désactivés par le frittage, la cokéfaction et des processus similaires.

Application des nouvelles technologies

RPP sont utilisés pour la conversion de la biomasse. Des réacteurs à haute pression sont utilisés dans les expériences. La pression en eux peut atteindre 35 MPa. L'utilisation de plusieurs tailles permet de faire varier le temps de séjour de 0,5 à 600 s. Pour atteindre des températures supérieures à 300 °C, des réacteurs chauffés électriquement sont utilisés. La biomasse est fournie par des pompes HPLC.

Nanoparticules d'aérosol RPP

La synthèse et l'application de nanoparticules à diverses fins suscitent un intérêt considérable, notamment les alliages fortement alliés et les conducteurs à couches épaisses pour l'industrie électronique. D'autres applications incluent les mesures de susceptibilité magnétique, la transmission dans l'infrarouge lointain et la résonance magnétique nucléaire. Pour ces systèmes, il est nécessaire de produire des particules de taille contrôlée. Leur diamètre est généralement compris entre 10 et 500 nm.

De par leur taille, leur forme et leur surface spécifique élevée, ces particules peuvent être utilisées pour produire des pigments cosmétiques, des membranes, des catalyseurs, des céramiques, des réacteurs catalytiques et photocatalytiques. Les exemples d'application pour les nanoparticules incluent SnO₂ pour les capteursmonoxyde de carbone, TiO₂ pour les guides de lumière, SiO_{2 pour le dioxyde de silicium colloïdal et les fibres optiques, C pour les charges de carbone dans les pneus, Fe pour les matériaux d'enregistrement, Ni pour les batteries et, dans une moindre mesure, le palladium, le magnésium et le bismuth. Tous ces matériaux sont synthétisés dans des réacteurs aérosols. En médecine, les nanoparticules sont utilisées pour prévenir et traiter les infections des plaies, dans les implants osseux artificiels et pour l'imagerie cérébrale.}

Exemple de fabrication

Pour obtenir des particules d'aluminium, un flux d'argon saturé en vapeur métallique est refroidi dans une RPP de diamètre 18 mm et de longueur 0,5 m à partir d'une température de 1600 °C à une vitesse de 1000 °C/s. Lorsque le gaz traverse le réacteur, la nucléation et la croissance des particules d'aluminium se produisent. Le débit est de 2 dm3/min et la pression est de 1 atm (1013 Pa). En se déplaçant, le gaz se refroidit et devient sursaturé, ce qui conduit à la nucléation de particules à la suite de collisions et d'évaporation de molécules, répétées jusqu'à ce que la particule atteigne une taille critique. Lorsqu'elles traversent le gaz sursaturé, les molécules d'aluminium se condensent sur les particules, augmentant leur taille.