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Auteur(s)
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Jacques VILLERMAUX : Membre de l’Institut universitaire de France - Professeur à l’École nationale supérieure des industries chimiques, Laboratoire des sciences du génie chimique (CNRS - ENSIC) (Institut national polytechnique de Lorraine)
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Le génie des procédés peut être défini comme la science pour l’ingénieur dont l’objet est la mise en œuvre optimale des procédés de transformation physico‐chimique et /ou biologique des matières premières en produits fonctionnels. L’une des branches importantes du génie des procédés est le génie de la réaction chimique, qui s’intéresse aux méthodes de mise en œuvre rationnelle des transformations chimiques et en particulier aux appareils dans lesquels sont conduites les réactions : les réacteurs chimiques. Même si le réacteur ne représente qu’une part modeste de l’investissement dans un procédé industriel, son fonctionnement conditionne en grande partie les installations placées en amont (préparation des charges de réactif, choix des conditions de température et de pression) et les installations situées en aval (dispositifs de séparation des produits notamment). Une amélioration du rendement du réacteur de quelques unités peut donc se traduire par un abaissement notable des coûts d’investissement et des consommations de matière et d’énergie. En ce sens, on peut dire que le réacteur est véritablement le cœur du procédé, qui requiert toute l’attention de l’ingénieur.
La figure 1 indique, sous forme d’un schéma systémique, les principaux facteurs gouvernant le fonctionnement d’un réacteur chimique. Elle est suffisamment explicite pour qu’un long commentaire soit inutile. L’objet du génie de la réaction chimique est d’étudier les interactions entre ces facteurs.
Différents problèmes peuvent se poser à l’ingénieur :
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concevoir un réacteur assurant une production industrielle de spécifications données, à partir d’une transformation chimique reconnue possible au laboratoire ;
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conduire de manière optimale une opération discontinue ;
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transposer une opération discontinue en opération continue ;
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définir des critères d’extrapolation permettant le changement d’échelle ;
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optimiser un réacteur existant, porter un diagnostic sur son fonctionnement, l’automatiser ;
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assurer prioritairement la protection de l’environnement et la sûreté de fonctionnement par une maîtrise des conditions de réaction.
Cette liste n’est évidemment pas limitative. Dans chaque cas se posent les questions : de quelles données a‐t‐on besoin ? Quelles expériences de laboratoire, quels essais industriels faut‐il faire ? Réciproquement, le chercheur qui s’intéresse à la connaissance fondamentale d’une réaction doit s’interroger sur le choix du réacteur et des conditions expérimentales propres à fournir l’information désirée : par exemple, comment mesurer une vitesse de réaction sans être gêné par les phénomènes de transfert de matière et de chaleur concomitants ?
Telles sont quelques‐unes des questions auxquelles se propose de répondre le génie de la réaction chimique. La plupart d’entre elles nécessitent l’établissement d’un modèle mathématique du réacteur chimique, bien adapté à l’objectif visé. Dans le présent article, nous nous proposons de passer en revue les principes de base qui président au fonctionnement des réacteurs et à l’établissement de tels modèles. Notre but est essentiellement de comprendre et d’analyser les phénomènes. Comme nous le verrons, cette démarche est déjà suffisante pour résoudre un grand nombre de problèmes rencontrés dans la pratique industrielle. L’application des principes de base à la réalisation technique des réacteurs est traitée dans l’article Réacteurs chimiques. Technologie .
Signalons, pour terminer cette introduction, que le génie de la réaction chimique ne s’applique pas seulement dans les industries de transformation, mais partout où la matière se transforme, par exemple dans les écosystèmes ou les systèmes vivants : l’atmosphère, un lac, une cellule, un sol contaminé sont des réacteurs chimiques.
Les méthodes générales présentées dans cet article sont donc également applicables aux bioréacteurs, moyennant la prise en compte des spécificités des transformations biologiques.
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Stœchiométrie. Bilans de matière dans les réacteurs idéaux
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1. Classification des réactions et des réacteurs chimiques
Le tableau 1 résume les principaux critères de classification des transformations chimiques.
Parmi les critères énumérés, celui qui domine imprime le plus souvent sa marque à la conception et au fonctionnement du réacteur : dans une réaction gaz/solide, des facteurs déterminants sont les transferts de matière et de chaleur entre phases ; dans une réaction à stœchiométrie unique, on se préoccupe en général d’obtenir le taux de conversion maximal au moindre coût dans le réacteur le plus petit possible, ou dans le plus court temps possible, alors que dans une réaction à stœchiométrie multiple, l’obtention d’une sélectivité élevée prime sur le taux de conversion si le recyclage des substances non converties n’est pas trop coûteux ; dans une réaction exothermique équilibrée, le réglage de la température est capital ; enfin, lorsque l’efficacité de la transformation repose entièrement sur le choix d’un bon catalyseur, le génie de la réaction chimique se tourne à nouveau vers les facteurs chimiques.
Le tableau 2 rassemble des éléments de classification des réacteurs chimiques.
La combinaison des divers régimes, des modes de mise au contact des phases en présence, ainsi que l’association de zones à régime d’écoulement défini permettent de classer la plupart des réacteurs industriels. Nous ne développerons pas plus avant cette étude, en priant le lecteur de se reporter à l’article Réacteurs chimiques. Technologie
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