Qu'est-ce qu'un réacteur chimique : types, équations de conception et applications industrielles

Qu'est-ce qu'un réacteur chimique: types, équations de conception et applications industrielles

Pour répondre à la question fondamentale:Qu'est-ce qu'un réacteur chimique?Un réacteur chimique est un réacteur conçu pour convertir les réactifs en produits par une réaction chimique contrôlée, et tout ce qui concerne sa conception découle de trois équilibres:un équilibre moles qui fixe le volumeLes quatre configurations canoniques sont le réacteur par lots,où la composition change avec le temps et le volume résulte de l'intégration dN/dt = rV; le réacteur à réservoir à agitation continue, où la balance est algébrique, V = F ((X_out - X_in) / (-r), et les contenus sont uniformes à la concentration de sortie; le réacteur à débit de prise,où la balance est différentielle le long de la longueur, dV = dF/(-r), et la concentration diminue progressivement; et le lit fluidisé, utilisé lorsque le catalyseur doit circuler.Parce que les taux de réaction doublent à peu près pour chaque augmentation de 10 ° C par la relation Arrhenius, et parce que les exothermes typiques libèrent 50-250 kJ/mol avec une augmentation de température adiabatique de 50-300°C, l'élimination de la chaleur plutôt que la chimie est ce qui limite le plus souvent un réacteur.

1Les trois équilibres qui définissent chaque réacteur

Indépendamment de la configuration, trois équations sont toujours résolues, et elles expliquent pourquoi les réacteurs ont l'air comme ils le font:

• La balance de la taupe:Le solde mol est une déclaration de conservation: ce qui entre, moins ce qui sort, moins ce qui réagit, est égal à ce qui s'accumule.donc le temps nécessaire est l'intégrale de dN_A/(r_A x V) de la conversion initiale à la conversion finalePour un réacteur à réservoir à agitation continue à l'état d'équilibre, il n'y a pas d'accumulation, donc la balance est algébrique, V = F_A0 x X / (-r_A),évalué à la concentration de sortie parce que tout le réservoir est à cette concentrationPour un réacteur de débit par prise, la balance est écrite sur une tranche différentielle, dV = dF_A/(-r_A), et intégrée le long de la longueur.pour toute réaction d'ordre positif, le réacteur de débit de prise a besoin d'un volume inférieur à celui du CSTR pour la même conversion, généralement d'un facteur de deux à dix, car le CSTR dilue immédiatement tout le contenu à la concentration la plus basse et la plus lente.
• La loi du taux et la dépendance à la température:L'expression de taux convertit le solde en un nombre, et il est presque toujours Arrhenius sous forme, k = A x exp ((-Ea/RT), avec des énergies d'activation typiquement de 40 à 120 kJ/mol.Cela signifie que le taux double à peu près pour chaque augmentation de 10 ° C de la température à proximité de l'environnementIl s'agit d'un réacteur conçu à une température incorrecte qui peut être déformé d'un ordre de grandeur.La dépendance à la concentration est tout aussi importante: une réaction de premier ordre ralentit de façon exponentielle à mesure que le réactif est consommé, de sorte que les derniers pour cent de conversion prennent une durée disproportionnée,C'est pourquoi de nombreux processus s'arrêtent à 90-98% et recyclent plutôt que de poursuivre une conversion complèteLorsque deux réactions sont en compétition, la sélectivité dépend du rapport de leurs taux et, comme les deux ont généralement des énergies d'activation différentes,La température devient l'outil principal pour diriger la liste des produits.
• L'équilibre énergétique et l'élimination de la chaleur:Chaque réacteur qui exécute une réaction avec une chaleur de réaction différente de zéro doit éliminer ou fournir de la chaleur, et la balance est écrite comme le taux de production de chaleur par rapport au taux d'élimination à travers la veste,La génération s'accélère avec le volume, tandis que l'enlèvement s'accélère avec la surface, de sorte que le problème s'aggrave à mesure que le réacteur devient plus grand; c'est l'échec classique de la mise à l'échelle,où une réaction facilement contrôlable dans un flacon de 1 litre s'écoule dans un récipient de 5 m3Le nombre de Damkohler sans dimension, le rapport entre le débit caractéristique ou le temps de mélange et le temps de réaction, indique au concepteur quel régime s'applique: en dessous d'environ 0.01 la réaction est contrôlée cinétiquementLorsque l'exotherme est important, la conception doit inclure un voyage indépendant à haute température, un refroidissement d'urgence avec un utilitaire indépendant,et le relief dimensionné selon la méthode DIERS.
• Distribution du temps de résidence et réacteurs réels:Aucun réacteur réel n'est parfaitement connecté ou parfaitement mélangé.un CSTR donne une décomposition exponentielle avec un écart aussi large que la moyenne, un réacteur de débit par prise donne une impulsion étroite, et un récipient réel se trouve entre et est modélisé par le modèle de réservoirs en série avec un nombre effectif de réservoirs,ou par un modèle de dispersion avec un numéro de PecletCeci est important parce que la répartition du temps de résidence élargit directement la distribution du produit dans la polymérisation, surréagit certaines molécules dans les réactions en série et réduit la conversion effective.Les correctifs courants sont des baffles pour supprimer le contournement et le tourbillon, un rapport longueur/diamètre supérieur à environ 3 pour les réacteurs tubulaires et, pour les réservoirs mélangés, une cascade de trois à six récipients en série,qui donne la plupart du bénéfice du débit de bouchon avec le mélange et le transfert de chaleur d'un réservoir mélangé.

2Les quatre configurations de réacteurs et comment choisir

La configuration découle du taux de production, de la charge thermique, de la durée de vie du catalyseur et de la liste des produits:

• Réacteur par lots:Le réacteur par lots est le réacteur le plus flexible et le plus utilisé dans les produits chimiques fines, les produits pharmaceutiques, les résines, les revêtements et les spécialités.la réaction est effectuée à une température et à un profil d'additionLa flexibilité est sa force: le même récipient produit de nombreux produits, la recette peut être ajustée entre les lots et le temps de séjour long convient aux réactions lentes.Ses faiblesses sont le temps non productif de charge, le chauffage, le refroidissement, le nettoyage et le déchargement, qui peuvent consommer 30 à 60% du cycle, la variabilité par lot et la difficulté d'élimination de la chaleur,puisque la pleine charge thermique est libérée sur une courte périodeL'opération de semi-batch, où un réactif est alimenté au fil du temps, est la solution standard au problème de la chaleur et permet également de contrôler la sélectivité et, dans la polymérisation, le poids moléculaire.
• Réacteur à réservoir à mélange continu:Un CSTR est alimenté et déchargé en continu, est bien mélangé de sorte que le contenu soit uniforme à la composition de la sortie et fonctionne à l'état d'équilibre.gère bien les boues et les matériaux visqueux, et est le choix naturel pour les réactions de phase liquide qui nécessitent un bon mélange ou qui doivent être maintenues à une concentration fixe, comme dans de nombreuses polymérisations et en fermentation.parce que tout le réservoir se trouve à la concentration de sortie, la réaction est la plus lente partout, donc un CSTR a besoin de deux à dix fois le volume d'un réacteur de débit de prise pour la même tâche.C'est pourquoi les processus qui nécessitent une conversion élevée utilisent une cascade de CSTR en série, généralement de trois à six, ce qui récupère une grande partie de l'avantage du débit de prise tout en conservant les avantages du mélange et du transfert de chaleur.
• Réacteurs à débit de prise et tubulaires:Dans un réacteur à débit de prise, le matériau passe par une série de tranches minces sans mélange axial,la concentration et la conversion varient donc sur la longueur et le taux de réaction moyen est plus élevé que dans un CSTRLes réacteurs tubulaires offrent la plus grande productivité volumétrique, un excellent transfert de chaleur par unité de volume en raison du rapport haute surface/volume,et une distribution étroite du temps de résidence qui est essentielle pour contrôler la distribution des produitsIls sont la norme pour les réactions en phase gazeuse à haute température telles que le craquage par vapeur à 750-870°C, pour les réactions exothermiques rapides où un petit diamètre maintient le flux de chaleur gérable,et pour les réactions pour lesquelles le remis en mélange détruirait la sélectivitéLes limitations sont une chute de pression élevée pour les tubes emballés, des difficultés avec l'encrassement et avec les solides, et le fait qu'un fugitif n'a nulle part où se dissiper,C'est pourquoi les réacteurs tubulaires ont besoin d'une instrumentation minutieuse et souvent d'un profil de température distribué.
• Légumes et légumes de fruits et légumesDans le cas d'un catalyseur solide, le mode de contact est choisi en fonction de la durée de vie du catalyseur et de la charge thermique.Mais la dissipation de chaleur est médiocre et le lit ne peut pas être changé sans un arrêt.Un lit fluidisé suspend le catalyseur dans le gaz qui monte,donnant une excellente uniformité de température et la capacité de faire circuler le catalyseur en continu, qui est essentiel lorsqu'il se désactive en quelques secondes, comme dans le craquage catalytique de fluides à 500-540°C; la pénalité est l'usure, l'entraînement qui exige des cyclones et le rétro-mélange.Un lit ébulli élargit le catalyseur avec le flux de liquide et permet le remplacement en ligne, ce qui rend possible l'hydroconversion des résidus. Une colonne d'engrais ou de bulles suspend un catalyseur fin dans le liquide pour une excellente élimination de la chaleur et est utilisée dans le service de Fischer-Tropsch et d'hydrogénation.

Matrice de comparaison des configurations des réacteurs chimiques

Questions fréquemment posées

Q: Quelle est la différence entre un CSTR et un réacteur à débit en fiche?

Un réacteur à réservoir continu est parfaitement mélangé, de sorte que son contenu est uniforme et se trouve partout à la concentration de réactif la plus basse, la concentration de sortie.Un réacteur à écoulement par prise n'a pas de mélange axialPour toute réaction d'ordre positif, cela rend le réacteur de débit de bouchon plus rapide en moyenne et donc plus petit:Pour réaliser la même conversion, il faut généralement deux à dix fois moins de volume qu'un CSTR.Dans la pratique, les ingénieurs utilisent souvent une cascade de trois à six CSTR en série,qui se rapproche du débit du bouchon tout en conservant l'excellent mélangeL'autre différence est opérationnelle: un CSTR est facile à contrôler et maintient bien l'état d'équilibre.alors qu'un réacteur tubulaire a une chute de pression plus élevée et est plus sensible à l'encrassement et à la fuite.

Q: Pourquoi le contrôle de la température est-il si essentiel dans un réacteur chimique?

R: Parce que la vitesse de réaction augmente à peu près de façon exponentielle avec la température.Dans une réaction exothermique, cela crée une boucle de rétroaction positive.Si le système d'élimination de la chaleur ne peut pas suivre le rythme à chaque point, le lot accélère dans une fuite,qui peut faire bouillir le solvantDe même, un mauvais contrôle coûte la qualité plutôt que la sécurité dans de nombreux procédés:où deux réactions concurrentes ont des énergies d'activation différentesLa température détermine la sélectivité et, lorsqu'une polymérisation est en cours, la température détermine le poids moléculaire.un blocage qui arrête les alimentations et applique un refroidissement complet à haute température, et la capacité de dégagement mesurée selon la méthode DIERS.

Q: Comment choisir entre l'opération par lots et l'opération continue?

R: Quatre facteurs déterminent le volume: continu est privilégié au-dessus d'environ 5 000 à 10 000 tonnes par an pour un seul produit.En dessous de ce niveau, il est difficile de justifier la complexité du capital et du contrôle d'une installation continue.. liste de produits: si l'usine produit de nombreuses qualités ou produits, le lot gagne en souplesse, puisqu'un train continu produit un matériau de transition hors spécification à chaque changement de qualité.Caractéristiques de réaction: les réactions très rapides ou très exothermes sont plus faciles à contrôler en continu dans un réacteur de petit volume, tandis que les réactions lentes avec une longue durée de résidence sont moins chères dans un réacteur de lot.Et la cohérence de la qualité: continu donne un produit plus stable une fois aligné, mais le lot permet d'ajuster et de retracer chaque lot, ce qui est important dans les industries réglementées.réaction continue avec finition de lot, ou une réaction par lots alimentant un train de séparation en continu.

Q: De quels systèmes de sécurité un réacteur chimique a-t-il besoin?

R: La protection est en couches. Sécurité inhérente en premier: choisir une alimentation semi-batch de sorte que l'inventaire non réagi soit petit, diluer les réactifs,et choisir un solvant dont le point d'ébullition atteint la température maximale- contrôle de base du procédé suivant: température, pression et débit d'alimentation contrôlés automatiquement par des alarmes.un voyage indépendant à haute température et à haute pression qui ferme les flux, applique un refroidissement complet et, si elle est conçue, injecte un inhibiteur de réaction ou rejette le lot dans un réservoir d'extinction.avec la charge de soulagement déterminée par la méthodologie DIERS pour le cas spécifique de fuite, puisque les systèmes réactifs peuvent être gazeux, à vapeur ou hybrides, et que la bonne réponse modifie sensiblement la surface requise.un détergent ou un réservoir de déversement qui peut accepter la matière relâchée en toute sécurité plutôt que de la rejeter dans l'atmosphère.