Calcul des réacteurs catalytiques - Approche préliminaire

Les procédés mettant en œuvre des réactions catalytiques hétérogènes sont très répandus. Le caractère polyphasique de ces réacteurs rend souvent difficile leur dimensionnement. La conception des réacteurs doit prendre en compte un certain nombre de contraintes liées à l’utilisation du catalyseur : le maintien de l’activité et de la sélectivité des catalyseurs, leur stabilité et leur régénération.

D’une manière générale, le dimensionnement d’un réacteur catalytique nécessite une modélisation à deux échelles, la première au niveau d’un grain de catalyseur en prenant en compte les limitations diffusionnelles internes de matière et de chaleur, la seconde au niveau du réacteur en s’intéressant au processus de transferts externes de matière et de chaleur entre le fluide réactionnel et les grains de catalyseurs ainsi qu’à la technologie d’échange thermique associé au réacteur.

Ce dossier vise à donner au lecteur un guide au travers d’une approche méthodologique dans le but d’effectuer le prédimensionnement d’un réacteur catalytique.

Pour mener à bien cette démarche, il est nécessaire, dans un premier temps, de s’attarder à rassembler des informations préliminaires nécessaires à la détermination du régime de fonctionnement du catalyseur.

Plusieurs points sont à prendre en compte :

• le rôle de la diffusion interne sur le fonctionnement du catalyseur ;

• sa stabilité dans le temps au travers de la désactivation ;

• les problèmes liés à la distribution des produits (recherche de sélectivité) ;

• enfin les caractéristiques thermiques de la réaction.

Dans un deuxième temps, en fonction des réponses apportées aux questions précédentes, il conviendra de choisir, parmi la panoplie de réacteurs catalytiques, celui qui semble être le mieux adapté pour la conduite de la réaction.

Traiter l’ensemble de tous les réacteurs catalytiques de manière exhaustive aboutirait à un exposé beaucoup trop lourd. Seul le réacteur catalytique à lit fixe, réacteur le plus utilisé industriellement, fera l’objet d’une étude approfondie. Nous nous contenterons de décrire la démarche conduisant progressivement à définir les contours de ce que devrait être ce réacteur.