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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 :
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le rôle de la diffusion interne sur le fonctionnement du catalyseur ;
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sa stabilité dans le temps au travers de la désactivation ;
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les problèmes liés à la distribution des produits (recherche de sélectivité) ;
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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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Approche préliminaire2. Choix d’un réacteur catalytique
Inspirée d’une démarche élaborée par Levenspiel [2], la figure 1 propose des critères de choix fondés sur les analyses de la vitesse de la réaction, de la stabilité du catalyseur et de la recherche d’une sélectivité sur la distribution des produits.
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En premier lieu, on s’intéresse à la loi cinétique chimique de la réaction.
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Si celle-ci est lente, dans ce cas, le risque d’une limitation par la diffusion interne devient peu probable et on peut utiliser des catalyseurs de granulométrie assez grosse (dp de l’ordre du millimètre). Le réacteur le mieux adapté, dans la mesure où la désactivation du catalyseur est négligeable, est le lit fixe. À ce stade on peut rencontrer plusieurs variantes imposées par la thermicité de la réaction. Si la thermicité est faible, on a recours au lit fixe simple ; par contre, si la thermicité est élevée, et principalement en cas de réaction exothermique, la surface de la paroi latérale d’un réacteur à lit fixe simple n’est plus suffisante pour assurer les transferts thermiques vers l’extérieur ; on a alors recours à un réacteur à faisceau multitubulaire dans le cas de réaction fortement exothermique ou bien à un réacteur à lits multiétagés avec des échangeurs intermédiaires dans le cas de réaction exothermique équilibrée.
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Si, au contraire, la loi cinétique chimique est rapide, il y a de forte chance que la cinétique au niveau du grain soit limitée par la diffusion interne. Une manière pour s’en affranchir est d’utiliser des grains de catalyseur de dimension plus petite ; le lit fixe devient alors impossible car il conduirait à des pertes de charge beaucoup trop élevées.
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À nouveau, se pose le problème de la stabilité du catalyseur.
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Si la désactivation est négligeable, on a recours à un réacteur à lit fluidisé à charge non circulante. Le choix du réacteur est conditionné par la présence ou non d’une recherche de sélectivité. Si ce problème ne se pose pas, un lit fluidisé simple sera retenu ; pour obtenir une conversion élevée, il sera nécessaire d’engager une masse...
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