Introduction Aux Réacteurs Discontinus : Bases Et Applications

Avez-vous déjà pensé à la façon dont les réactions chimiques qui font que des choses comme les médicaments et le carburant se produisent ?

Vous savez que ces réactions ne se produisent pas d'elles-mêmes parce que vous êtes étudiant en génie ou ingénieur.

Ils ont besoin de conditions exactes, de quantités soigneusement mesurées de réactifs et de catalyseurs, et du bon type de réacteur.

Le réacteur discontinu y contribue.

Le réacteur discontinu est un outil important pour tout ingénieur chimiste car il peut gérer une large gamme de réactions et les conditions de ces réactions peuvent être contrôlées très précisément.

Dans cet article, j'entrerai dans les détails des réacteurs discontinus, en parlant de leurs pièces, avantages et utilisations.

Que vous soyez un ingénieur expérimenté ou débutant, cet article vous donnera les informations dont vous avez besoin pour comprendre les réacteurs discontinus et leur importance dans le monde du génie chimique.

Introduction aux réacteurs discontinus

Définition formelle:

Un réacteur chimique dans lequel les réactifs et le catalyseur sont introduits dans les quantités souhaitées et la cuve est ensuite fermée pour l'apport de matière supplémentaire.

Les réacteurs discontinus sont des machines flexibles qui peuvent être utilisées pour de nombreuses opérations de processus différentes.

Certaines des choses les plus courantes que font les réacteurs discontinus sont :

Les solides peuvent être dissous dans des liquides à l'aide de réacteurs discontinus.

Les solides et le solvant sont placés dans le réacteur, et le mélange est agité jusqu'à ce que tous les solides soient dissous.

• Mélange de produits : les réacteurs discontinus sont utilisés pour mélanger différents produits afin d'obtenir le mélange souhaité.

Cela peut être utile dans l'industrie alimentaire et des boissons, où différents ingrédients sont mélangés pour fabriquer un certain produit.

• Réactions chimiques: La plupart des réactions chimiques se font dans des réacteurs discontinus.

Après avoir ajouté les réactifs dans le réacteur, le mélange est laissé réagir pendant une durée déterminée.

A la fin du lot, les articles sont alors sortis.

• Distillation discontinue : Les réacteurs discontinus peuvent également être utilisés pour la distillation discontinue, qui est un moyen de séparer les parties d'un mélange en fonction de leurs points d'ébullition.

Avantages et inconvénients des réacteurs discontinus

Les réacteurs discontinus présentent un certain nombre d'avantages, tels que :

Les réacteurs discontinus sont polyvalents car ils peuvent faire plus d'une chose dans une seule cuve sans rompre le confinement.

Les réacteurs discontinus peuvent fabriquer différents produits dans le même réacteur car ils peuvent être utilisés pour plus d'une chose.

• Conversions élevées : les réactifs peuvent rester longtemps dans le réacteur, ce qui entraîne des conversions élevées.
• Facilité de fabrication et de changement : Les réacteurs discontinus sont assez faciles à fabriquer et à changer.

Mais les réacteurs discontinus présentent également certains problèmes, tels que :

• Rétromélange : le rétromélange se produit lorsque le matériau n'est pas retiré tant que la réaction n'est pas terminée.

Cela raccourcit la durée de vie du catalyseur et produit beaucoup de déchets.

• Quantités limitées : Les réacteurs discontinus ne sont pas le meilleur moyen de fabriquer une grande quantité d'un produit en une seule fois.
• Variabilité des produits : Les produits fabriqués par les réacteurs discontinus peuvent être différents d'un lot à l'autre.
• Difficultés avec la production à grande échelle : les réacteurs discontinus ne sont pas bons pour fabriquer beaucoup de choses à la fois.
• Coûteux à exécuter : les réacteurs discontinus doivent être allumés et éteints souvent, ce qui les rend coûteux à exploiter.

Caractéristiques de conception des réacteurs discontinus

Les réacteurs discontinus sont fabriqués avec des pièces similaires, telles que :

• Ports pour l'injection de réactifs et le retrait de produits : les réacteurs discontinus ont des ports pour l'injection de réactifs et le retrait de produits.
• Échangeur de chaleur ou système d'agitation : un échangeur de chaleur ou un système d'agitation peut être ajouté à un réacteur discontinu.
• Volume constant : Les réacteurs discontinus ont généralement un volume constant, mais certains sont conçus de manière à ce que le volume puisse être modifié pour maintenir une pression constante.

En bref, les réacteurs discontinus sont de simples conteneurs utilisés dans les industries de transformation pour un large éventail de tâches.

Ils sont polyvalents, peuvent être utilisés pour plus d'une chose, ont des taux de conversion élevés et sont faciles à créer et à modifier.

Mais ils ont aussi quelques problèmes, comme le rétromélange, les quantités limitées, les produits différents, la difficulté à en fabriquer beaucoup, la courte durée de vie du catalyseur et le gaspillage.

Les réacteurs discontinus sont souvent utilisés pour des travaux à petite échelle, tester de nouvelles méthodes et fabriquer des produits coûteux.

Ils sont également souvent utilisés dans les laboratoires pour la production à petite échelle et pour démarrer le processus de fermentation des boissons.

Embrasser l'imprévisibilité : l'excitation et les risques des réacteurs discontinus

Toujours difficile à comprendre ? Je change un peu le point de vue :

Chimistes, soyez attentifs ! Vous voulez que votre travail soit plus intéressant ? Fatigué que les mêmes choses se reproduisent encore et encore ? Le réacteur discontinu est tout ce dont vous avez besoin.

Le réacteur discontinu est parfait pour le chaos, l'imprévisibilité et peut-être même un peu d'excitation, car vous pouvez ajouter des réactifs et des catalyseurs dans les quantités souhaitées, puis fermer le récipient pour empêcher davantage de matériaux d'entrer.

Qui se soucie du contrôle et de la cohérence ? Acceptez le fait que le réacteur discontinu est difficile à prévoir et voyez où cela vous mène.

D'accord, c'était juste une blague faite pour ressembler à une publicité télévisée.

Revenons maintenant à l'explication.

Composants des réacteurs discontinus

Les réacteurs discontinus sont des récipients utilisés dans les industries de transformation pour faire des choses comme dissoudre des solides, mélanger des produits, effectuer des réactions chimiques et distiller par lots.

La cuve du réacteur, le milieu réactionnel, l'espace de tête et un agitateur sont les quatre parties principales.

Cuve de réacteur

La partie principale d'un réacteur discontinu est la cuve du réacteur, qui est souvent faite d'acier, d'acier inoxydable, d'acier émaillé, de verre ou d'un alliage exotique.

Il peut être inférieur à 1 litre ou supérieur à 15 000 litres.

La plupart du temps, les liquides et les solides sont introduits dans le réacteur par des trous dans le couvercle supérieur.

Les vapeurs et les gaz sortent des trous du haut et les liquides sortent des trous du bas.

Milieu réactionnel

La chose dans laquelle la réaction a lieu s'appelle le milieu réactionnel.

Selon le type de réaction en cours, il peut s'agir d'une phase gazeuse, d'une phase liquide ou d'une phase liquide-solide.

Espace de tête

L'espace de tête est l'espace vide au-dessus du support.

Il laisse de la place au gaz ou à la vapeur qui se forme pendant la réaction.

Agitateur

L'agitateur est nécessaire pour mélanger les différentes parties et ajouter ou retirer de la chaleur de la réaction.

Selon le type de réaction, il peut être réalisé avec des roues à flux axial ou des roues à flux radial pour fournir différents types de mélange.

Avantages et défis des réacteurs discontinus

L'une des meilleures choses à propos des réacteurs discontinus est leur flexibilité.

Un seul navire peut effectuer une série de tâches différentes sans briser le confinement.

Ceci est utile lorsque vous travaillez avec des matériaux toxiques car cela réduit le risque que les travailleurs se blessent.

Mais les réacteurs discontinus présentent certains problèmes, comme le rétromélange, qui peuvent nuire à la qualité du produit car les réactifs ne sont pas répartis uniformément dans la cuve.

Conception et dimensionnement des réacteurs discontinus

Plusieurs éléments doivent être pris en compte lors de la conception et du dimensionnement d'un réacteur discontinu pour une certaine réaction.

Ceux-ci incluent la cinétique de la réaction, le transfert de chaleur, le transfert de masse, le mélange et le comportement des phases.

La conception doit garantir que le réacteur peut effectuer la réaction de manière sûre et efficace, répondre aux spécifications du produit et maintenir les coûts de production aussi bas que possible.

La plupart du temps, déterminer la taille d'un réacteur discontinu signifie déterminer le volume du réacteur nécessaire pour convertir les réactifs d'une certaine manière et permettre un mélange et un transfert de chaleur suffisants.

Pour obtenir les meilleures performances du réacteur, le processus de conception et de dimensionnement peut impliquer des expériences, des simulations et des modèles.

Dans un réacteur discontinu, le temps qu'il faut pour atteindre un certain niveau de conversion dépend de la vitesse de la réaction et du degré de conversion souhaité.

Donc, pour déterminer le bon volume de réacteur discontinu pour une certaine réaction, vous devez penser à des choses comme la vitesse de la réaction, les concentrations initiales des réactifs, le niveau de conversion que vous voulez et la durée pendant laquelle le réacteur sera en cours d'exécution.

Ces informations pourraient être utilisées pour déterminer la bonne taille d'un réacteur discontinu en calculant des paramètres tels que les constantes de vitesse de réaction et les coefficients stœchiométriques.

Contrairement aux CSTR et aux PFR, qui peuvent traiter de grandes quantités de réactifs en continu dans le temps, les réacteurs discontinus ne peuvent traiter qu'un certain nombre de réactifs à la fois.

Ainsi, un réacteur discontinu pourrait ne pas être en mesure de traiter la même quantité d'espèces A par jour qu'un réacteur à flux continu.

Mais les réacteurs discontinus sont toujours utiles pour les opérations à petite échelle, pour tester de nouveaux procédés qui n'ont pas encore été entièrement développés et pour fabriquer des produits coûteux.

En bref, les réacteurs discontinus comportent plusieurs parties importantes, telles que la cuve du réacteur, le milieu réactionnel, l'espace de tête et l'agitateur.

Ils ont des avantages comme être flexibles et pouvoir être utilisés pour plus d'une chose, mais ils ont aussi des problèmes comme le rétromélange.

Pour concevoir et dimensionner un réacteur discontinu pour une certaine réaction, vous devez penser à des éléments tels que la cinétique de la réaction, le transfert de chaleur, le transfert de masse, le mélange et le comportement des phases.

Calculs dans les réacteurs discontinus

Équation d'équilibre molaire et réaction en série

Pour un réacteur discontinu avec une réaction en série, nous devons utiliser l'équation d'équilibre molaire pour déterminer la quantité d'une substance dans le réacteur.

L'équation d'équilibre des moles est utilisée pour déterminer à quelle vitesse la quantité de chaque mole dans le réacteur change.

L'équation d'équilibre molaire pour un réacteur discontinu est :

dN_i/dt = r_i*V

où N_i est le nombre de moles de l'espèce i, t est le temps, r_i est la vitesse de réaction de l'espèce i et V est le volume du réacteur.

Chaque fois que nous voulons savoir quelle quantité de chaque espèce se trouve dans un réacteur discontinu au cours d'une réaction en série, nous pouvons utiliser cette équation.

Dimensionnement d'un réacteur de saponification discontinue pour le procédé à chaud

La saponification est un processus chimique qui transforme les graisses et la lessive en savon.

Pour le processus de saponification à chaud, un réacteur discontinu est utilisé.

Pour le procédé à chaud, la taille du réacteur de saponification discontinue dépendra de la quantité de savon à fabriquer et du type de savon fabriqué.

En plus de la taille du réacteur, la superficie de la surface du réacteur peut également modifier la vitesse à laquelle la réaction se produit.

Si vous utilisez un réacteur avec des chicanes ou un avec un rapport d'aspect plus élevé, vous pouvez augmenter la surface.

Pour le procédé de saponification à chaud, la température du réacteur doit être maintenue entre 70°C et 85°C.

La durée de la réaction dépend de la quantité de savon que vous voulez fabriquer.

Cela peut prendre de plusieurs heures à plusieurs jours.

Un réacteur discontinu peut être utilisé pour étudier la cinétique de saponification.

À l'aide d'un réacteur discontinu avec agitation magnétique et d'une chemise en verre, les élèves peuvent déterminer les constantes de vitesse d'une réaction de second ordre à différentes températures.

La réaction de saponification peut également être utilisée pour comprendre la conversion de la réaction dans un réacteur tubulaire à lit fixe.

Essais et optimisation dans les réacteurs discontinus

Réalisation de tests de réacteurs discontinus avec des solides

Lors d'un test de réacteur discontinu avec un solide, les réactifs solides et liquides sont généralement mélangés dans un récipient avec un agitateur.

Le mélange est ensuite laissé réagir pendant un certain temps.

Après cela, le solide est généralement séparé du liquide par filtration ou centrifugation.

Ensuite, pour savoir jusqu'où s'est déroulée la réaction, on mesure la concentration de l'espèce d'intérêt dans la phase liquide.

Lors de la planification d'un test de réacteur discontinu avec un solide, vous devez également penser à la taille des particules du solide, à la concentration initiale des réactifs et au niveau de conversion souhaité.

Test de réacteur discontinu de laboratoire modifié

La biodégradation des composés organiques volatils dans les boues activées a été testée dans un réacteur batch en laboratoire.

Le test a été modifié pour inclure des fibres de microextraction en phase solide (SPME) pour l'échantillonnage en phase gazeuse.

Cela élimine le besoin d'un tube de tirage et facilite son utilisation avec des solides.

Systèmes de réacteurs discontinus de séquençage (SBR)

Un réacteur discontinu séquentiel (SBR) est un système à boues activées qui traite les eaux usées par remplissage puis vidange.

Dans ce système, les eaux usées sont placées dans un seul réacteur discontinu.

Deux ou plusieurs réacteurs discontinus sont utilisés dans un ordre défini pour obtenir les meilleures performances du système.

Les systèmes SBR ont été utilisés pour traiter les eaux usées des villes et des usines.

Équation du bilan matière

L'équation du bilan matière peut être utilisée pour comprendre ce qui se passe dans les réacteurs discontinus lorsque des réactions chimiques se produisent.

Par exemple, l'équation d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV peut être utilisé pour les réacteurs discontinus bien agités car les intégrales sont simples à évaluer en raison d'un bon mélange dans le réacteur.

Réacteurs semi-discontinus

Les réacteurs semi-discontinus ont les caractéristiques des réacteurs discontinus et des réacteurs à cuve agitée qui fonctionnent tout le temps (CSTR).

Ils peuvent ajouter de la charge pendant que la réaction se déroule, comme les CSTR, mais ils sont remplis de réactif au début, comme les réacteurs discontinus.

La plupart du temps, les réacteurs semi-discontinus sont utilisés lorsqu'une réaction doit ajouter un réactif lentement ou lorsque la réaction est trop chaude pour être effectuée dans un réacteur discontinu.

Présentation du réacteur discontinu

Conseil : Activez le bouton de sous-titrage si vous en avez besoin. Choisissez "traduction automatique" dans le bouton des paramètres, si vous n'êtes pas familier avec la langue parlée. Vous devrez peut-être d'abord cliquer sur la langue de la vidéo avant que votre langue préférée ne soit disponible pour la traduction.

Cas d'utilisation

Conclusion

En fin de compte, le réacteur discontinu est un outil important pour les ingénieurs chimistes dans de nombreux domaines différents.

Il vous permet de contrôler très précisément les conditions d'une réaction, ce qui est important pour fabriquer des produits homogènes et de haute qualité.

Mais même si le réacteur discontinu est une grande technologie, ce n'est pas une panacée.

Il ne peut pas être utilisé pour tous les types de réaction car il a quelques défauts.

En tant qu'ingénieurs, il est de notre devoir de continuer à proposer de nouvelles idées et d'essayer de nouvelles technologies qui peuvent nous aider à contourner ces problèmes et à faciliter la fabrication de produits chimiques complexes.

Nous pouvons créer un avenir meilleur pour nous-mêmes et pour la planète si nous repoussons les limites de ce qui est possible.

Alors continuons à chercher et à essayer de nouvelles choses pour trouver des solutions meilleures, plus efficaces et à plus long terme.

Liens et références

Balances taupes :

https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf

Réacteurs en Génie des Procédés :

https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering