Technologie des réacteurs
La variété des technologies de réacteurs rend impossible une présentation exhaustive ; on peut toutefois donner quelques exemples de grands types de réacteurs monophasiques utilisés industriellement.
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Définition : Réacteur agité en phase liquide
La photographie et le schéma suivants montrent le premier des grands types de réacteurs industriels : le réacteur agité en phase liquide.
Comme l'illustrent les photographies et le schémas précédents et suivants, un tel réacteur comporte trois éléments essentiels :
un récipient capable de contenir le volume réactionnel : c'est généralement une cuve cylindrique, dont le fond peu avoir une forme plus ou moins arrondie ;
un système d'agitation permettant de maintenir une composition la plus uniforme possible dans le milieu réactionnel et de faciliter les échanges thermiques : le système d'agitation comprend un mobile, un arbre et un moteur ;
une surface d'échange pour le maintien en température du milieu réactionnel, qui peut se présenter sous divers types de forme, comme illustré sur la figure suivante :
la double enveloppe est relativement simple à réaliser, mais n'offre que des surfaces d'échange limitées (1,5 à 2,5 m2 m-3) et le coefficient d'échange est faible (60 à 350 W m-2 K-1),
le serpentin extérieur permet d'atteindre des coefficients d'échange plus élevés,
le serpentin intérieur permet d'obtenir de relativement bons coefficients d'échange (700 à 800 W m-2 K-1), mais sa surface est limitée et sa présence peut gêner l'agitation et générer des problèmes d'encrassement,
l'échangeur externe permet d'atteindre à la fois des surfaces importantes (10 à 50 m2 m-3) et des coefficients d'échange élevés (1000 à 3000 W m-2 K-1), mais ne peut être utilisé pour des produits sensibles du fait du fort cisaillement lors de la circulation externe, de plus le coût d'investissement est nettement plus élevé qu'avec les technologies précédentes.
Réacteur agité en phase gazeuse
La réalisation d'un réacteur agité en phase gazeuse peut se limiter à une enceinte dans laquelle on injecte ces gaz à grande vitesse. On peut éventuellement utiliser des systèmes pour faciliter le mélange tels que le mélangeur statique illustré sur la figure suivante.
Définition : Réacteur tubulaire
Le second grand type de réacteur industriel est le réacteur tubulaire. Comme son nom l'indique, le réacteur tubulaire est un simple tube, dont la longueur est au moins 100 fois supérieure à son diamètre. En outre, pour assurer un bon écoulement proche du piston, le nombre de Reynolds caractéristique doit être d'au moins 104.
En ce qui concerne l'échange de chaleur, pour les températures modérées (< 500°C), on utilise un système de tubes concentriques (coaxiaux) avec une circulation de fluide caloporteur (figure suivante à gauche) ; tandis que pour les températures élevées (> 500°C), on placera le tube dans un four (figure suivante à droite).
La photographie ci-après montre un réacteur tubulaire industriel (au premier plan).
Remarque : Matériaux
Le choix du matériau de construction d'un réacteur est un compromis entre sa résistance (chimique, mais aussi thermique, voire mécanique) et son coût. L'acier, l'inox et la fonte sont très répandus comme matériau de construction des réacteurs. Dans certains cas l'acier pourra être émaillé (figure suivante), ou encore vitrifié, le verre étant inerte vis-à-vis de tous les produits chimiques, sauf l'acide fluorhydrique et les solutions alcalines chaudes. L'acier peut également être revêtu d'un polymère si celui-ci est compatible avec les solvants utilisés ; le téflon (PTFE) est inerte vis-à-vis de tous les produits, mais son utilisation est limitée par la température et son prix.
