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RÉSUMÉ
Le dimensionnement des réacteurs catalytiques est souvent problématique, de par leur caractère polyphasique et la prise en compte d’un certain nombre de contraintes liées à leur utilisation. Cet article est une introduction à l’approche de dimensionnement d’un catalyseur. Y sont identifiées les informations nécessaires à la détermination de son régime. La stabilité dans le temps au travers de sa désactivation, la recherche de sa sélectivité et les caractéristiques thermiques font partie des critères importants à prendre en compte.
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Jean-Léon HOUZELOT : Professeur École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy Institut national polytechnique de Lorraine
INTRODUCTION
Les procédés mettant en œuvre des réactions catalytiques hétérogènes sont très répandus. Le caractère polyphasique de ces réacteurs rend souvent difficile leur dimensionnement. La conception des réacteurs doit prendre en compte un certain nombre de contraintes liées à l’utilisation du catalyseur : le maintien de l’activité et de la sélectivité des catalyseurs, leur stabilité et leur régénération.
D’une manière générale, le dimensionnement d’un réacteur catalytique nécessite une modélisation à deux échelles, la première au niveau d’un grain de catalyseur en prenant en compte les limitations diffusionnelles internes de matière et de chaleur, la seconde au niveau du réacteur en s’intéressant au processus de transferts externes de matière et de chaleur entre le fluide réactionnel et les grains de catalyseurs ainsi qu’à la technologie d’échange thermique associé au réacteur.
Ce dossier vise à donner au lecteur un guide au travers d’une approche méthodologique dans le but d’effectuer le prédimensionnement d’un réacteur catalytique.
Pour mener à bien cette démarche, il est nécessaire, dans un premier temps, de s’attarder à rassembler des informations préliminaires nécessaires à la détermination du régime de fonctionnement du catalyseur.
Plusieurs points sont à prendre en compte :
-
le rôle de la diffusion interne sur le fonctionnement du catalyseur ;
-
sa stabilité dans le temps au travers de la désactivation ;
-
les problèmes liés à la distribution des produits (recherche de sélectivité) ;
-
enfin les caractéristiques thermiques de la réaction.
Dans un deuxième temps, en fonction des réponses apportées aux questions précédentes, il conviendra de choisir, parmi la panoplie de réacteurs catalytiques, celui qui semble être le mieux adapté pour la conduite de la réaction.
Traiter l’ensemble de tous les réacteurs catalytiques de manière exhaustive aboutirait à un exposé beaucoup trop lourd. Seul le réacteur catalytique à lit fixe, réacteur le plus utilisé industriellement, fera l’objet d’une étude approfondie. Nous nous contenterons de décrire la démarche conduisant progressivement à définir les contours de ce que devrait être ce réacteur.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1988 par Henri-Dominique LÉGER
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Désactivation des catalyseurs3. Approche préliminaire
Comme cela a déjà été signalé dans l’introduction, il est nécessaire de bien connaître le fonctionnement cinétique global au niveau du grain de catalyseur.
Le problème se pose en termes suivants :
-
soit l’on dispose d’une mesure de la vitesse apparente
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directement sur les grains de catalyseur qui seront utilisés sur le réacteur industriel ; le réacteur agité à paniers tournants dit de Carberry est bien adapté pour réaliser cette mesure. On désire alors savoir s’il y a des limitations diffussionnelles externes ou internes aux transferts de matière et de chaleur, c’est-à-dire estimer les écarts de concentration et de température dans le film et dans le grain. On cherche aussi à calculer la vitesse de réaction vraie, débarrassée des perturbations diffusionnelles ; -
soit l’on connaît l’expression analytique de la vitesse de réaction et l’on désire prévoir les facteurs d’efficacité dans une situation donnée d’utilisation du catalyseur.
directement sur les grains de catalyseur qui seront utilisés sur le réacteur industriel ; le réacteur agité à paniers tournants dit de Carberry est bien adapté pour réaliser cette mesure. On désire alors savoir s’il y a des limitations diffussionnelles externes ou internes aux transferts de matière et de chaleur, c’est-à-dire estimer les écarts de concentration et de température dans le film et dans le grain. On cherche aussi à calculer la vitesse de réaction vraie, débarrassée des perturbations diffusionnelles ;Dans les deux cas, il est nécessaire de connaître les propriétés du fluide et du catalyseur afin de déterminer les différents paramètres de transfert de matière et de chaleur.
Plaçons-nous dans le cas où nous disposons d’une mesure de vitesse apparente, ce qui est le cas le plus courant au niveau industriel, car la mesure d’une cinétique vraie nécessite une approche expérimentale beaucoup plus lourde.
Pour faire ces estimations, les relations qui sont à notre disposition sont les suivantes.
-
Pour le transfert de matière externe, on peut calculer la fraction de résistance diffusionnelle externe fe, en réalisant un bilan de matière à travers le film externe et dans le grain de catalyseur et en désignant respectivement par Vp et Ap le volume et la surface externe de la particule de catalyseur ; ce bilan conduit à :
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Avec L = Vp/Ap, on obtient :
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...
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