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Analyse des réactions exothermiques avec BatchReactor |
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La simulation des procédés est une technique bien rodée à laquelle ont désormais fréquemment recours les professionnels des différents domaines de l’industrie des procédés. Elle permet en effet de faire face à des
enjeux importants tels que la réduction des risques, l’amélioration de la compréhension des phénomènes physiques, la pérennisation des connaissances, la diminution des coûts grâce à l’optimisation des
performances ou encore la réduction des temps de mise sur le marché de nouveaux produits. Pour qu’un simulateur soit efficace dans tous ces domaines, il convient qu’il utilise des modèles de connaissance (ou
phénoménologiques) construits sur la base des lois fondamentales de la physique et de la chimie : les équations de conservation (masse, énergie, quantité de mouvement), la thermodynamique (équilibres
chimiques et entre phases), la cinétique,… Ces simulateurs ont l’avantage incontestable de proposer une réelle capacité de prédiction, dans un domaine de validité beaucoup plus étendu que celui pour lequel des
données expérimentales sont disponibles. En revanche, ils nécessitent la mise en oeuvre de méthodes numériques complexes, notamment lorsque l’aspect dynamique des procédés est abordé.
BatchReactor est un des produits de la gamme de logiciels ProSim dédié à la simulation des réacteurs chimiques discontinus validé par une utilisation de plus
d’une dizaine d’années dans le domaine des industries chimique et pharmaceutique. Il permet de représenter le reacteur avec précision et un grand nombre d'options sont disponibles pour modéliser le système de chauffe ou de reffroidissement, le sytème de condensation etc...
BatchReactor possède un module d’identification des cinétiques à partir de valeurs expérimentales (évolution des concentrations au
cours du temps, données calorimétriques, isothermes ou non, avec ou sans coulée de réactifs).
A partir de la connaissance de la chimie (espèces présentes, stoechiométrie des réactions, cinétiques des réactions),
de la géométrie du réacteur et des conditions opératoires (chauffage / refroidissement, durée des étapes, alimentations…), BatchReactor permet, par des calculs de bilans (matière, énergie) et d’équilibres entre
phases, d’obtenir l’évolution dans le temps des différents paramètres opératoires de l’installation: fractions massiques, température, pression...
Une application typique de BatchReactor est l'analyse de réactions exothermique afin de mettre en place des procédures de sécurité. L'exemple décrit ici est la synthèse du mono alkyl ester à partir d’anhydride maléique et de 1-hexanol. La réaction est exothermique et contrôlée par une loi de type Arrhenius dont les paramètres
cinétiques identifiés par le logiciel à partir de données expérimentales sont résumés dans le tableau ci-après
| Facteur pré exponentiel | 4.92 1015 l/mol h |
| Energie d’activation | 105 kJ/mol |
| Enthalpie de réaction | 33 500 Cal/mol |
Les caractéristiques du réacteur industriel sont présentées sur la figure ci-après :
| Charge initiale du réacteur | 500 kg d’anhydride maléique |
| Alimentation | 100 kg/h de 1-hexanol pur, à une température de 95°C |
| Pression | 1 atm |
| Température du milieu réactionnel | Régulée à 85°C par le fluide de refroidissement |
Les événements d’arrêt de la synthèse choisis par l’utilisateur sont la durée totale de la synthèse de 8h ou la quantité d’anhydride maléique restant dans le réacteur inférieure à 10 kg.
Les résultats obtenus par le logiciel en termes d’évolution des concentrations du milieu réactionnel et des paramètres du système de refroidissement sont présentés ci-après :
Evolution des concentrations massiques (cliquez pour agrandir)
La synthèse se déroule en un peu plus de 6 heures, le premier événement atteint étant la quantité consommée de réactif.
A partir de ce point nominal, plusieurs scénarii peuvent être étudiés. Nous présenterons celui d’une perte de la régulation thermique (doublement du débit du fluide thermique) après trois heures de fonctionnement suivi d’une perte de l’agitation après un quart d’heure.
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| Evolution de la température (cliquez pour agrandir) |
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Evolution des concentrations massiques (cliquez pour agrandir) |
Le débit de fluide caloporteur à 20°C etant doublé, cela provoque une chute de température dans le réacteur, ce qui dégrade la production de mono alkyl ester. Si la synthèse était poursuivie sans autre évènement pendant huit heures, le taux de conversion de l’anhydride maléique ne serait que de 57,8 %.
La panne du système d’agitation conduit à passer d’un régime convectif forcé à un régime de convection naturelle. Les coefficients d’échange étant ainsi fortement dégradés, l’énergie dégagée par la réaction n’est plus évacuée et il y a un emballement de la température du milieu réactionnel qui ne s’arrête qu’une fois l’anhydride maléique consommé, soit après un peu plus de 5 heures de synthèse.
La simulation dynamique de réacteurs batch permet ainsi une analyse approfondie du procédé et une mise en place de procédures de sécurité des synthèses, aussi bien pendant les phases de conception que celles de revamping. Mais d’autres applications fréquentes du logiciel peuvent être citées, telles que la possibilité d’utiliser un appareil existant pour une nouvelle synthèse, l’optimisation des performances d’un réacteur, le scale-up d’un procédé ou encore la réduction des émissions de COV.
Auteur et contributeurs : Olivier BAUDOUIN, Philippe GUITTARD, Gilles HAMEURY (ProSim)
Plus d'informations : Page BatchReactor, contacter ProSim
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