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 10-3 m de diamètre, et alimenté par un débit de 4 10-6 m3 s-1 de A 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 10-3 m ou un réacteur à lit fixe (que l'on supposera en écoulement piston) avec des particules de 10-2 m.
La diffusivité effective est estimée à 10-6 m2 s-1. On négligera la résistance au transport externe. La masse volumique des particules de catalyseur est de 2000 kg m-3.
Question
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 \(\overline{r}\).
Indice
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
Dans le lit fluidisé et dans le lit fixe, calculer :
le critère de THIELE,
le facteur d'efficacité,
le volume de catalyseur à partir d'un bilan de matière.
Résultat
En lit fluidisé (particules de 10-3 m), il faut 1,17 m3 de catalyseur.
Avec le lit fixe (particules de 10-2 m), il faut 1,58 m3 de catalyseur.
Ce résultat en apparence favorable au réacteur agité, est surtout dû à la différence de taille des grains de catalyseur, sachant que l'on est ici en présence d'un système limité par le transfert interne.