Introduction générale

Si l'on veut définir ce qu'est le Génie de la Réaction Chimique (GRC), on peut se reporter à la définition qu'en donne le Professeur Jacques VILLERMAUX dans le premier chapitre de son ouvrage du même nom :

« C'est une branche du génie des procédés qui traite des méthodes de mise en œuvre rationnelle des transformations de la matière et des appareils dans lesquels sont conduites les réactions : les réacteurs. »

« En général, le réacteur ne représente pas la plus grosse part de l'investissement dans un procédé industriel. Et pourtant ses caractéristiques de fonctionnement conditionnent les installations placées en amont (préparation des charges de réactif, choix de la température et de la pression) et les dispositifs placés en aval pour la séparation des produits notamment. Une amélioration de quelques points de rendement du réacteur peut donc se traduire par un abaissement notable des coûts d'investissement et de production. En ce sens, on peut dire que le réacteur est véritablement le "cœur du procédé", qui requiert toute l'attention de l'ingénieur. »

Cette position du réacteur au cœur du procédé est illustrée sur la figure ci-dessous.

Le réacteur au cœur du procédé.Informations

Le Professeur Octave LEVENSPIEL précise dans la préface de son livre les objectifs du Génie de la Réaction Chimique :

« Chemical reaction engineering is the branch of engineering that is concerned with the exploitation of chemical reactions on a commercial scale for purposes other than the production of power. Here the goal is the successful design of chemical reactors, and this is achieved by knowing what a reactor can produce and by knowing how this product can be controlled to suit requirements. (...) The primary problem facing the engineer in chemical reaction engineering is to decide which of the many possible design alternatives is the most favorable. »

Comme l'indique Daniel SCHWEICH dans la préface de son ouvrage, le Génie de la Réaction Chimique n'est nullement un recueil de recettes, mais s'efforce de présenter une méthode. On peut retrouver cette méthode dans l'épilogue du livre du Professeur Jacques VILLERMAUX, intitulé "la voie royale".

GRC : introduction
Informations

→ plan du cours

Un chapitre préliminaire fournit quelques rappels utiles de mathématiques et méthodes numériques.

Le premier chapitre fera le point sur les notions de base du Génie de la Réaction Chimique, avec la classification des réactions et des réacteurs, quelques éléments de technologie, les définitions des grandeurs caractérisant une réaction chimique (coefficients stœchiométriques, taux de conversion et avancement) et le rappel des éléments de base de cinétique chimique (vitesse de réaction, lois usuelles, liens avec la thermodynamique). L'étude des réacteurs s'appuie sur la thermodynamique et la cinétique chimique.

Le deuxième chapitre sera consacré aux réacteurs idéaux isothermes. Les bilans de matière seront explicités dans plusieurs cas classiques : réacteur agité discontinu, réacteurs continus parfaitement agité ou à écoulement piston ; avant de détailler le comportement de ces réacteurs idéaux lorsqu'ils sont le siège d'une seule ou de plusieurs réactions, et d'aborder le problème de l'optimisation de la conversion ou du rendement.

Le troisième chapitre traitera de l'étude de l'écoulement dans les réacteurs réels grâce aux mesures de Distribution des Temps de Séjour (DTS) : après la description de la méthode et de la fonction de distribution associée, le diagnostic des écoulements et leur modélisation seront étudiés.

Le quatrième et dernier chapitre s'intéressera aux effets thermiques dans les réacteurs : l'écriture des bilans d'énergie sera détaillée, puis la Progression Optimale de Température (POT) et le problème de l'emballement thermique seront abordés.

→ pré-requis

Pour pouvoir suivre profitablement ce cours, il est nécessaire de maîtriser les aspects suivants :

  • outils scientifiques de base :

    • mathématiques : manipulation d'équations, fonctions logarithmes et exponentielle, résolution d'une équation du second degré, dérivation et intégration des fonctions usuelles, résolution d'une équation différentielle du premier ordre ;

    • chimie : notions de mole et de concentration, calcul d'une masse molaire, notions de bases liées aux réactions chimiques (écriture d'une équation de réaction, stœchiométrie) ;

    • symboles scientifiques : conversions d'unités & alphabet grec ;

    • informatique / calcul numérique : traitement de données, y compris leur représentation sous une forme graphique adaptée, l'utilisation d'un outil informatique adapté pour effectuer des calculs scientifiques simples ;

  • génie chimique / génie des procédés :

    • notions de bases : opération continue/discontinue, régime permanent (= stationnaire) ;

    • bilans de matière : sur une installation, un appareil, un volume de contrôle, un volume infinitésimal ;

    • thermodynamique : notions de base (énergies, systèmes, enthalpies, énergie libre) ; premier et second principes de la thermodynamique ; thermodynamique chimique (enthalpie de réaction, constante d'équilibre, déplacement d'équilibre) ;

    • hydrodynamique :viscosité, nombre de Reynolds, perte de charge, agitation ;

    • transferts thermiques : évaluation des coefficients d'échange thermique, écriture des flux thermiques, échangeurs thermiques.