Réactions et réacteurs à catalyseur solide

Réactions à catalyseur solide

Objectifs Les objectifs de cette partie : comprendre comment les phénomènes de transport modifient les concentrations en réactifs ; calculer les concentrations en surface et au sein du catalyseur en fonction des paramètres du procédé et des caractéristiques du catalyseur ; en déduire des expressions de vitesse en fonction de paramètres externes mesurables ; appliquer ces notions aux réactions catalytiques hétérogènes (critères de THIELE ; facteurs d’efficacité). On s’intéresse à une réaction de type A produits catalysée par un solide. Le réactif A est fluide, ainsi que les produits de réaction. VIDÉO : https://youtu.be/SuB9gIRNQYs Comme illustré sur la figure suivante, on distingue habituellement 7 étapes pour réaliser une réaction catalytique : l’espèce(s) réactive(s) présente(s) dans la phase fluide vien(nen)t en surface du grain de catalyseur (phénomène de transfert externe) ; 2. 3. 4. 5. 6. 7. l’espèce(s) réactive(s) présente(s) dans la phase fluide migre(nt) à l’intérieur d’un pore du grain de catalyseur par diffusion ; l’espèce(s) réactive(s) présente(s) dans la phase fluide s’adsorbe(nt) sur un site actif de catalyseur ; la réaction a lieu ; les produits de réaction non solide désorbent ; les produits de réaction migrent vers l’extérieur du catalyseur via un pore du grain de catalyseur par diffusion ; les produits de réaction s’éloignent du grain de catalyseur (phénomène de transfert externe)Selon la réaction étudiée et selon la configuration du catalyseur utilisé, certaines de ces étapes sont rapides, d’autres plus lentes. La vitesse globale de la réaction sera la combinaison des vitesses de toutes ces étapes. En particulier si l’une des étapes est très lente, sa vitesse s’imposera à l’ensemble du processus ; on la qualifiera alors d’étape limitante. 

JEU SÉRIEUX à la dérive Pour vous initier de manière ludique aux réacteurs à catalyseur solide : télécharger le jeu « À la dérive », extraire le contenu du fichier ZIP téléchargé, puis lancer l’exécutable. Transport externe autour d’un grain de catalyseur 

Le carburant de la sonde spatiale du jeu est produit par un réacteur catalytique

 Le taux de conversion de ce réacteur induit la vitesse de la sonde : tentez d’observer les cinq anomalies célestes de cet univers, en évitant de heurter les planètes ! mais profitez de leur force gravitationnelle pour vous orienter… Vous avez trois paramètres à régler sur votre réacteur : le diamètre du réacteur tubulaire, la taille des grains de catalyseur, le débit circulant à travers le réacteur. 

Transport externe autour d’un grain de catalyseur

VIDÉO :https://youtu.be/AiXQgV4OfVY VIDÉO : https://youtu.be/ezS-vBJg64M 

Efficacité externe en fonction de la taille caractéristique des grains (la valeur sur chaque courbe est le rapport kD/k) 

Diffusion de la matière dans un grain de catalyseur 

Objectifs 

L’objectif de cette partie est de faire apparaître la notion de régime réactionnel et les nombres adimensionnels qui permettent de déterminer dans quel régime on se trouve pour une application donnée. VIDÉO : https://youtu.be/TVlc72R6lcE On s’intéresse à une particule poreuse de catalyseur permettant la décomposition d’une espèce de concentration . La particule a la forme d’un feuillet plan, d’épaisseur et de surface . On définit un axe des selon cette épaisseur, donc orthogonal à la surface plane de la plaquette.

Exercice : Limitation par le transport externe série ou parallèle ?

 Une réaction limitée uniquement par le transport externe est mise en œuvre dans le dispositif cidessous, constitué de deux réacteurs catalytiques à lit fixe de même volume placés en série. Les particules de catalyseur sont sphériques et le taux de conversion observé en sortie du dispositif est de 86,5 %. Afin de limiter les pertes de charge, on envisage de placer les deux réacteurs en parallèle, traversés chacun par la moitié du flux total à convertir : Question  lorsque le critère de WEISZ est inférieur à 0,1.  lorsque le critère de WEISZ est supérieur à 3. – – – Quelle est la conversion en sortie de réacteurs dans la seconde configuration ? Indice Commencer par établir l’expression du taux de conversion en sortie d’un réacteur catalytique à lit fixe (cela se fait à partir d’un bilan matière). Indice 2 La valeur du taux de conversion en sortie de la configuration en série permet de retrouver la valeur d’un groupement de paramètres dont les valeurs individuelles ne sont pas connues. On peut ensuite recalculer le taux de conversion en sortie de la configuration en parallèle. Indice 3 Dans la seconde configuration : la porosité et le diamètre ne changent pas ; la vitesse est divisée par 2 ;la longueur aussi ! le coefficient de transfert externe varie (reprendre la corrélation classique pour trouver comment il varie par rapport à la vitesse …)

Exercice : Analyse d’une réaction catalytique RPA ou réacteur piston ?

On étudie une réaction catalytique d’isomérisation de la forme A = R. La réaction est supposée d’ordre 1, elle est mise en œuvre en phase gazeuse, sous une température de 336°C et une pression de 1 bar. Dans un réacteur de Carberry, supposé parfaitement agité, contenant 10 g de catalyseur constitué de particules sphériques de 1,5 10 m de diamètre, et alimenté par un débit de 4 10 m s de A -3 -6 3 -1 pur, on mesure un taux de conversion de 0,8. Vous devez dimensionner un réacteur industriel fonctionnant dans les mêmes conditions de température et de pression, et permettant d’atteindre un taux de conversion de 80%. Votre choix se porte sur un réacteur à lit fluidisé (que l’on supposera parfaitement agité) avec des particules de 10 m ou un réacteur à lit fixe (que l’on supposera en écoulement piston) avec des particules de 10 -3 -2 m. La diffusivité effective est estimée à 10 m s . On négligera la résistance au transport externe. -6 2 -1 La masse volumique des particules de catalyseur est de 2000 kg m . -3 Question 1. 2. Lequel de ces dispositifs permet de minimiser la quantité de catalyseur ? Indice Analyser des données issues du réacteur de Carberry afin de déterminer la vitesse moyenne . Indice 2 Calculer le critère de WEISZ pour déterminer si le fonctionnement du réacteur de Carberry est limité par le transfert interne. Puis remonter à la valeur de la constante de vitesse via le critère de THIELE. Indice 3 Dans le lit fluidisé et dans le lit fixe, calculer : le critère de THIELE