FR2880967A1 - Optimisation d'une reaction chimique dans un reacteur ouvert du type a plaques - Google Patents
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Abstract
Procédé d'optimisation d'une réaction chimique dans un réacteur ouvert du type à plaques, qui consiste à :- établir un modèle dynamique du réacteur pour cette réaction,- appliquer un outil logiciel d'intégration à ce modèle dynamique pour résoudre ses équations,- déterminer et optimiser un ensemble de paramètres du réacteur à partir d'évaluations des objectifs à atteindre, des contraintes à respecter et des données variables du réacteur et de la réaction,- construire un réacteur conforme à l'ensemble optimisé de paramètres,- et faire des mesures de paramètres physiques lors de la mise en oeuvre de la réaction dans le réacteur construit, pour valider son fonctionnement.
Description
Optimisation d'une réaction chimique
dans un réacteur ouvert du type à plaques La présente invention concerne un procédé d'optimisation d'une réaction chimique dans un réacteur ouvert du type à plaques constitué d'un empilement de plaques délimitant entre elles au moins un bloc comprenant une chambre de réaction et deux chambres latérales de circulation d'un fluide utilitaire d'échange de chaleur.
On cherche actuellement à optimiser le déroulernent et à améliorer le rendement des réactions chimiques en général, qui sont réalisées le plus souvent dans des réacteurs du type batch , c'est à dire des réacteurs à fonctionnement discontinu, comprenant des cuves dans lesquelles on dépose et on mélange des quantités déterminées de réactifs que l'on soumet ensuite à des conditions optimales d'environnement (pression, température, pH, etc.) pour favoriser les réactions.
Un inconvénient majeur de ces réacteurs est la difficulté d'évacuer la chaleur produite par une réaction, ce qui limite les possibilités de contrôle et d'optimisation de la réaction.
La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple et efficace au contrôle et à l'optimisation des réactions chimiques grâce à l'optimisation d'un réacteur du type ouvert qui ne présente pas les inconvénients précités des réacteurs discontinus ou réacteurs du type batch .
Elle propose à cet effet un procédé d'optimisation d'une réaction chimique dans un réacteur, caractérisé en ce qu'il consiste à : -utiliser un réacteur ouvert constitué d'un empilement de plaques délimitant entre elles au moins un bloc comprenant une chambre de réaction formée entre deux chambres latérales d'échange thermique à circulation de fluide utilitaire d'échange de chaleur, des moyens d'alimentation de la chambre de réaction par un débit continu d'un ou de plusieurs réactifs et des moyens d'alimentation des deux chambres latérales par un débit continu de fluide utilitaire; - établir un modèle dynamique du réacteur pour une réaction donnée, à partir d'une modélisation de la chambre de réaction et des échanges thermiques entre cette chambre de réaction et les chambres latérales à circulation de fluide utilitaire, ce modèle dynamique comprenant des équations de bilans de matière et d'énergie et de contraintes; - appliquer un outil logiciel d'intégration à ce modèle dynamique pour résoudre les équations précitées; - déterminer et optimiser un ensemble de paramètres dimensionnels et/ou fonctionnels du réacteur à partir d'évaluations des objectifs à atteindre, des contraintes à respecter, et des données variables du réacteur et/ou de la réaction; construire un réacteur à plaques du type précité conforme audit ensemble 15 optimisé de paramètres; et - faire des mesures de paramètres physiques tels que la température et la pression lors de la mise en oeuvre de ladite réaction dans le réacteur construit, pour valider son fonctionnement.
L'utilisation d'un réacteur continu ou ouvert comprenant une superposition de plaques délimitant au moins une chambre de réaction entre deux chambres de circulation de fluide utilitaire, permet de résoudre les problèmes de dissipation de chaleur constatés dans les réacteurs discontinus ou fermés du type batch , par une sélection appropriée des températures et débits du ou des fluides utilitaires, qui circulent de part et d'autre de la chambre de réaction, et également par la sélection des sens de passage de ces fluides (à co-courant, à contre- courant ou à courants croisés) par rapport au sens de passage du fluide réactionnel dans la chambre de réaction.
Cela permet aussi d'optimiser le dimensionnement ou la 30 configuration optimale du réacteur ainsi que le fonctionnement ou les conditions opératoires optimales du réacteur, en fournissant des paramètres de contrôle de la réaction chimique, et de décrire avec précision la distribution de la température dans le réacteur.
La détermination précise de la loi de variation de la température dans ce réacteur, qui constitue la différence essentielle entre l'invention et les procédés connus d'optimisation des réactions dans des réacteurs discontinus, est rendue possible par la modélisation dynamique du réacteur pour la réaction étudiée, et par l'optimisation d'un ensemble de paramètres dimensionnels et/ou fonctionnels du réacteur en fonction des objectifs à atteindre et des contraintes à respecter.
Un réacteur à plaques du type précité est ensuite construit conformément à l'ensemble de paramètres dimensionnels et/ou fonctionnels préalablement optimisé, la réaction chimique est mise en oeuvre dans ce réacteur et des mesures expérimentales de paramètres physiques sont faites pour vérifier l'optimisation de la réaction chimique.
Le procédé selon l'invention peut également consister, après la construction du réacteur, à : - établir un nouveau modèle dynamique de réacteur à partir du réacteur construit; - appliquer l'outil logiciel d'intégration à ce nouveau modèle dynamique 20 pour résoudre les équations précitées; - optimiser à nouveau ledit ensemble de paramètres dimensionnels et /ou fonctionnels du réacteur; et - modifier si nécessaire ledit réacteur construit, conformément au nouvel ensemble optimisé de paramètres.
Le modèle dynamique du réacteur comprend des équations de bilan de matière et d'énergie et des équations de contraintes, qui sont caractéristiques du réacteur et de la réaction chimique.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la modélisation de la chambre de réaction comprend une décomposition de cette chambre en cellules élémentaires successives contenant chacune un milieu fluide parfaitement agité. Les chambres de circulation de fluide utilitaire sont de même modélisées par décomposition en cellules élémentaires dont le nombre est égal au nombre de cellules élémentaires de la chambre de réaction.
La modélisation des échanges thermiques tient également compte du sens de passage du fluide dans chaque cellule élémentaire de la chambre de réaction par rapport au sens de passage (à co-courant, à contre-courant ou à courants croisés) du ou des fluides utilitaires dans les cellules élémentaires correspondantes des chambres latérales situées de part et d'autre de cette cellule élémentaire de la chambre de réaction. Elle comprend également des équations de bilan thermique relatives au fluide réactionnel, aux plaques délimitant les chambres latérales d'échange thermique, et aux fluides utilitaires circulant dans les chambres latérales, et des équations de bilan de matière du milieu réactionnel et des fluides utilitaires dans les cellules élémentaires des différentes chambres.
Chaque chambre de réaction est reliée à des zones d'entrée et des zones de sortie qui sont associées à une cellule élémentaire de la chambre de réaction et qui sont par exemple des éléments de liaison entre les moyens d'alimentation en réactifs et un point d'alimentation d'une chambre de réaction, et des éléments de liaison entre un point de sortie d'une chambre de réaction et des moyens de collecte du produit de la réaction. Dans le cas où deux chambres de réaction sont reliées entre elles en série, l'élément de sortie de la première chambre est confondu avec l'élément d'entrée de la seconde chambre.
Le modèle dynamique du réacteur comprend avantageusement un modèle des zones d'entrée et de sortie du réacteur, des zones d'entrée et de sortie de chaque chambre de réaction et des zones de transition entre les différents blocs du réacteur.
Le modèle dynamique offre en outre la possibilité d'un point d'alimentation par cellule élémentaire de la chambre de réaction.
L'outil logiciel d'intégration, appliqué au système d'équations du modèle dynamique du réacteur, permet de résoudre ces équations et de simuler le comportement du réacteur appelé état du réacteur pour la réaction chimique étudiée.
La détermination et l'optimisation des paramètres dimensionnels du réacteur sont obtenues, pour des objectifs et des contraintes donnés, par ajustement de caractéristiques variables du réacteur comprenant le nombre de points d'alimentation dans la chambre de réaction, les sens de passage des fluides utilitaires par rapport au milieu réactionnel, la nature et la distribution des fluides utilitaires, le volume total de la chambre de réaction et/ou les volumes des chambres latérales à circulation de fluide utilitaire, et la détermination et l'optimisation des paramètres fonctionnels du réacteur sont obtenues, pour des objectifs et des contraintes donnés, par ajustement de données variables de réaction ou de paramètres opératoires comprenant les températures, les pressions, les compositions et/ou les débits du milieu réactionnel et du ou des fluides utilitaires..
Le procédé consiste par exemple à ajuster les débits d'alimentation d'un ou de plusieurs réactifs dans différentes cellules élémentaires afin d'obtenir un meilleur rendement de la réaction, et à définir des valeurs limites des paramètres opératoires satisfaisant à des contraintes de sécurité et/ou environnementales.
Dans le cas d'une réaction chimique en milieu homogène, le modèle dynamique du réacteur comprend un modèle dynamique de la chambre de réaction formé à partir d'équations de bilan de matière, de bilan enthalpique, de bilan de pression et de contraintes de volume. Ces équations permettent de définir l'état et les évolutions du milieu fluide dans chaque cellule élémentaire.
Pour cela, on considère que dans les cellules élémentaires à contenu parfaitement agité de la chambre de réaction, les grandeurs caractéristiques (température, pression, débit, composition, etc.), les propriétés physiques (masse volumique, viscosité, etc.) et les phénomènes physico-chimiques (réaction, transfert de matière, etc.) sont homogènes dans chaque cellule et les propriétés physiques des fluides utilitaires sont homogènes et constantes pour une température donnée.
Dans le cas d'une réaction chimique en milieu cliphasique (liquideliquide ou liquide-gaz), où le milieu réactionnel est un mélange d'une phase continue et d'une phase dispersée, et dans le cas où le milieu réactionnel est un mélange de deux liquides miscibles, l'état et l'évolution du milieu réactionnel sont définis dans chaque cellule élémentaire à partir d'équations d'estimation de la masse volumique, de la chaleur spécifique, de la conductivité thermique et de la viscosité du milieu réactionnel, et d'équations de bilan de matière, de bilan enthalpique, de bilan de pression et de contraintes de volume.
On considère que dans les cellules élémentaires à contenu parfaitement agité de la chambre de réaction, les grandeurs caractéristiques (température, pression, débit, composition, etc.), les propriétés physiques (masse volumique, viscosité, etc.) et les phénomènes physicochimiques (réaction, transfert de matière, etc.) sont homogènes dans chaque cellule, les températures et les pressions des phases sont identiques, on assimile le milieu réactionnel à un milieu pseudo-homogène et les propriétés physiques des deux phases sont déterminées par des lois d'association permettant de relier les propriétés physiques du milieu aux propriétés de chacune des phases ainsi qu'à leurs proportions, la répartition des phases étant supposée homogène dans chaque cellule élémentaire.
On peut en outre appliquer au mélange de phases des règles d'équilibre entre les deux phases en fonction de la dimension des gouttelettes de la phase dispersée, des propriétés thermodynamiques des phases en présence, et/ou des conditions d'écoulement.
Le diamètre de Sauter permet de déterminer la dimension des gouttelettes de la phase dispersée. L'évolution de la taille des gouttelettes de la phase dispersée peut en outre être suivie dans les différentes cellules élémentaires de la chambre de réaction.
D'autres modélisations peuvent venir compléter et préciser le modèle dynamique du réacteur, telles que: - une modélisation du comportement hydrodynamique du réacteur faite à partir d'études expérimentales de distribution de temps de séjour des fluides dans les différentes parties du réacteur, et permettant de définir le nombre de cellules élémentaires à contenu parfaitement agité ; - une modélisation de la réaction à partir d'équations de vitesse de la réaction, de taux de production de constituants de la réaction et de génération de chaleur, dans chaque cellule élémentaire de la ou des chambres de réaction; - une modélisation du transfert de matière, dans une réaction en milieu diphasique, entre les deux phases du milieu réactionnel, à partir de propriétés physiques du milieu diphasique et de la taille des gouttelettes de la phase dispersée; - une modélisation du transfert thermique à partir de définitions des coefficients de transfert thermique entre les plaques délimitant les chambres latérales et les fluides circulant dans la chambre de réaction et dans les chambres latérales, et d'estimations des coefficients de film du fluide réactionnel et du fluide utilitaire; et - une modélisation des pertes de charge du fluide réactionnel dans le réacteur, faite à partir de mesures expérimentales.
Le procédé peut comprendre également une estimation des propriétés physiques des composants du réacteur et des fluides réactionnels et utilitaires.
Le procédé selon l'invention présente l'avantage de prédire le comportement d'un réacteur à plaques pour des conditions opératoires données, et permet également de définir le dimensionnement ou la configuration optimale et le fonctionnement ou les conditions opératoires optimales du réacteur pour une réaction ou un ensemble de réactions donné. Ce procédé permet aussi de décrire les évolutions de ce comportement au cours du temps, la représentation de cette évolution offrant de nombreuses possibilités en termes de contrôle optimal du réacteur, d'études de sécurité et de gestion des périodes transitoires non productives.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective éclatée d'un réacteur ouvert du type à plaques utilisé dans le procédé selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique de la chambre de réaction du réacteur de la figure 1, décomposée en cellules élémentaires; - la figure 3 est une vue schématique d'une cellule élémentaire de la chambre de réaction de la figure 2; - la figure 4 est une vue schématique d'une cellule élémentaire de réaction associée à deux cellules élémentaires de circulation de fluide utilitaire; - les figures 5a, 5b et 5c sont des diagrammes illustrant les principales étapes du procédé d'optimisation selon l'invention; - les figures 6 et 7 sont des graphes représentant l'influence de la concentration et du débit des réactifs, et du débit de fluide utilitaire sur la température et le rendement de la réaction d'oxydation du thiosulfate de sodium; - les figures 8 à 10 sont des graphes représentant l'influence du nombre et de la disposition des points d'alimentation des réactifs sur la température de la réaction d'hydrolyse de l'anhydride acétique; - les figures 11 et 12 sont des graphes représentant l'influence du débit d'alimentation des réactifs en plusieurs points d'alimentation sur la température et le rendement de la réaction de production du néopentyl glycol.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente schématiquement un réacteur ouvert ou continu comprenant: un empilement de plaques 20, 21, 22, 23 qui délimitent entre elles des chambres parallèles. Les plaques 21 et 22, appelées plaques de transition, délimitent entre elles une chambre de réaction 24 comprenant un point 25a d'alimentation d'un réactif et un ou plusieurs points 25b d'alimentation d'un autre ou de plusieurs autres réactifs, et un point 26 de sortie du ou des produits de la réaction. Les plaques 20 et 23 sont des plaques adiabatiques et délimitent avec les plaques 21, 22 une chambre latérale gauche 27 et une chambre latérale droite 28 de circulation de fluide utilitaire d'échange de chaleur, chaque chambre latérale 27, 28 comprenant une entrée 29 et une sortie 30 de fluide utilitaire.
Le fluide utilitaire qui circule dans la chambre latérale gauche 27 peut être identique ou différent de celui qui circule dans la chambre latérale droite 28, le fluide utilitaire couramment utilisé étant l'eau ou l'éthylène glycol.
L'empilement des plaques 20, 21, 22, 23 forme un bloc de réaction que les plaques 20 et 23 permettent d'isoler thermiquement de l'environnement extérieur ou d'un ou de plusieurs autres blocs de réaction montés en série avec celui-ci.
Les chambres 24, 27, 28 sont généralement équipées de moyens déterminant les trajets de passage des fluides à l'intérieur de ces chambres. La chambre de réaction 24 comprend par exemple des inserts en chicane qui imposent au milieu réactionnel une circulation en zigzag à l'intérieur de la chambre de réaction 24, comme cela est représenté aux figures 1 et 2.
Les chambres 24, 27, 28 sont alimentées en continu par des moyens appropriés non représentés.
Dans des conditions optimales de fonctionnement, le coefficient de transfert thermique global d'un réacteur à plaques peut varier entre 2000 et 5000 W.m"2.K-1. Le contrôle de la température dans la chambre de réaction 24 est réalisé par exemple par une sélection appropriée de la température et/ou du débit du ou des fluides utilitaires qui circulent de part et d'autre de la chambre de réaction 24, de la composition, de la température et/ou du débit du milieu réactionnel dans la chambre de réaction, et/ou par le sens de passage de fluide utilitaire dans chaque chambre latérale par rapport à celui du milieu réactionnel dans la chambre de réaction. Un fluide utilitaire circule à co-courant s'il circule dans les deux chambres latérales 27, 28 dans le même sens que le milieu réactionnel dans la chambre de réaction 24, à contre-courant s'il circule dans le sens inverse, et à courants croisés s'il circule dans une chambre latérale dans le même sens que le milieu réactionnel et dans le sens inverse dans l'autre chambre latérale, comme représenté en figure 1. Dans cet exemple, le milieu réactionnel et les fluides utilitaires se croisent en raison de la circulation horizontale en zigzag du milieu réactionnel et de la circulation verticale de fluide utilitaire, mais toute autre configuration de circulation peut être adoptée telle qu'une configuration en parallèle.
Une caractéristique essentielle du procédé selon l'invention consiste à établir un modèle dynamique de ce réacteur pour une réaction donnée.
La modélisation comprend une décomposition de la chambre de réaction en cellules élémentaires parfaitement agitées, au moyen d'études expérimentales de distribution de temps de séjour permettant une analyse de l'écoulement avec la mise en évidence de volumes morts et de passages préférentiels, et une caractérisation du mélange dans la chambre de réaction 24.
L'analyse de la distribution de temps de séjour expérimentale permet de la caractériser en termes de temps de séjour moyen (i) et de variance (a2) . A partir de ces caractéristiques, il est possible d'estimer le nombre de cellules élémentaires représentatif du degré de mélange et de l'hydrodynamique du réacteur réel. Ce nombre est calculé par exemple au moyen de la formule suivante: t N= o.
En pratique, ce nombre dépend notamment du débit d'alimentation de la chambre de réaction 24 et de la viscosité du milieu réactionnel. Le nombre de cellules élémentaires dans le cas d'un réacteur à plaques comprenant trois blocs de réaction est par exemple de 70 pour un milieu réactionnel composé uniquement d'eau alimentée à un débit de 25 L.h"1, de 100 pour de l'eau alimentée à 50 L.h-1, de 130 pour de l'eau alimentée à 80 L.h"' et de 25 pour un milieu réactionnel composé d'éthylène glycol alimenté à un débit de 50 L.h-l.
Dans l'exemple des figures 1 et 2, les cellules élémentaires de la chambre de réaction sont au nombre de 12. Ces 12 cellules sont numérotées de 1 à 12 suivant la circulation horizontale en zig-zag du milieu réactionnel dans la chambre de réaction 24, depuis le ou les points d'alimentation 25a, 25b jusqu'au point de sortie 26 de cette chambre 24. Cette circulation est imposée par les inserts précités présents dans la chambre de réaction 24.
Les 12 cellules forment 4 rangées de 3 cellules. Un réactif est introduit dans la chambre de réaction 24 depuis le point d'alimentation 25a dans la cellule 1. Le milieu réactionnel passe horizontalement de la cellule 1 à la cellule 2, puis à la 3, il sort de la cellule 3 et pénètre dans la cellule 4 située verticalement sous elle, puis passe horizontalement dans les cellules 5 et 6. Le milieu réactionnel sort de la cellule 6 et pénètre dans la cellule 7 située verticalement sous elle, puis passe horizontalement dans les cellules 8 et 9. Enfin, le milieu réactionnel sort de la cellule 9 et pénètre dans la cellule 10 située verticalement sous elle, puis passe horizontalement dans les cellules 11 et 12 pour sortir de la chambre de réaction 24 par le point 26. D'autres points d'alimentation 25b d'un ou de plusieurs autres réactifs peuvent en outre être prévus sur la prernière cellule ou d'autres cellules élémentaires que la première.
En variante, le milieu réactionnel peut circuler dans la chambre de réaction 24 en parallèle par rapport au fluide utilitaire circulant dans les chambres latérales 27, 28.
De même, les chambres latérales 27 et 28 sont décomposées en 30 cellules élémentaires de circulation de fluide utilitaire, afin qùe chaque cellule élémentaire de réaction soit située entre deux cellules élémentaires de circulation de fluide utilitaire.
En figure 1, les chambres latérales gauche 27 et droite 28 comprennent respectivement des séries A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L et A', B', C', D', E', F', G', H', l', J', K', L' de cellules élémentaires de circulation de fluide utilitaire. L'ordre alphabétique des lettres des cellules tient compte de l'ordre croissant des chiffres des cellules élémentaires de réaction, et non pas de la circulation de fluide utilitaire qui est de haut en bas dans la chambre de gauche 27 et de bas en haut dans la chambre de droite 28.
La décomposition de la chambre de réaction 24 en cellules élémentaires permet de déterminer pour le milieu réactionnel circulant dans chaque cellule élémentaire de réaction., l'influence thermique du fluide utilitaire circulant dans les deux cellules élémentaires latérales correspondantes, à travers les deux plaques 21, 22 de transition délimitant la chambre de réaction 24. De la chaleur est par exemple échangée entre la cellule élémentaire E de circulation de fluide utilitaire et la cellule élémentaire de réaction 5 à travers la plaque 21 et entre la cellule élémentaire E' de circulation de fluide utilitaire et la cellule élémentaire de réaction 5 à travers la plaque 22.
Dans l'exemple de réalisation représenté en figure 1, les caractéristiques thermiques de la cellule 5 sont déterminées par celles de la cellule située juste avant elle dans le sens de circulation du milieu réactionnel, c'est-à-dire la cellule 4. De la même façon, les caractéristiques thermiques des cellules E et E' sont déterminées respectivement par celles des cellules B et H', situées avant E et E' dans le sens de circulation du fluide utilitaire.
Les cellules élémentaires de réaction sont considérées comme des réacteurs agités continus, ce qui permet de généraliser les équations caractéristiques et de bilan du réacteur et de la réaction chimique du modèle mathématique à un nombre d'équations qui est fonction du nombre de cellules élémentaires de réaction, et qui a pour expression: n = [nombre de cellules] * (nombre d'équations par cellule) Le nombre d'équations du modèle mathématique est également fonction du nombre de zones d'utilité dans les chambres de circulation de fluide utilitaire. On entend par zone d'utilité, une partie de chambre de circulation de fluide utilitaire qui comprend ses propres points d'alimentation et de sortie de fluide utilitaire. Une chambre de circulation de fluide utilitaire qui comprend trois zones d'utilité présente donc trois points d'alimentation et trois points de sortie de fluide utilitaire. Le nombre d'équations du modèle mathématique a alors pour expression: n = [nombre de cellules] * (nombre d'équations par cellule) + (nombre d'équations par zone) * [nombre de zones d'utilité] En fonction du modèle considéré, milieu homogène ou milieu diphasique, ce nombre d'équations n'est pas le même, le nombre total d'équations du modèle étant défini à partir des équations suivantes: - Modèle homogène: n = [(ncell/block +3)xnblock +1]x(16+ncons)+ 3xnzonelbinrk xn block; - Modèle diphasique n=[(ncell/block +3)xnblock + 1] x(21+2xncons)+3xnzone/ block xnblock; dans lesquels scons est le nombre de constituants de la réaction chimique, 20 nblock le nombre de blocs de réaction, nzone/block le nombre de zones d'utilité par bloc de réaction et ncelubIock le nombre de cellules élémentaires par bloc de réaction.
Pour une réaction chimique en milieu homogène ou monophasique, les équations caractéristiques sont par exemple: - pour chaque cellule élémentaire de la chambre de réaction: un bilan de matière global, des bilans de matière partiels, un bilan enthalpique, un bilan de pression, un modèle de volume, un modèle d'enthalpie molaire, une contrainte de volume, un modèle de volume molaire, un bilan thermique de l'environnement thermique, des bilans thermiques des plaques de transition, des bilans thermiques des fluides utilitaires, des bilans thermiques des plaques adiabatiques et des bilans de matière des fluides utilitaires; - pour chaque zone d'utilité de circulation de fluide utilitaire: des contraintes de température des fluides utilitaires et une contrainte de débit de fluides utilitaires.
Pour une réaction chimique en milieu diphasique ou hétérogène, les équations caractéristiques sont par exemple: - pour chaque cellule élémentaire de la chambre de réaction: des bilans de matière globaux de la phase continue et de la phase dispersée, des bilans de matière partiels de la phase continue et de la phase dispersée, un bilan enthalpique, un bilan de pression, des modèles de volume de la phase continue et de la phase dispersée, des modèles d'enthalpie molaire de la phase continue et de la phase dispersée, des modèles de volume molaire de la phase continue et de la phase dispersée, des contraintes de volume de la phase dispersée et de la phase continue, un bilan thermique de l'environnement thermique, des bilans thermiques des plaques de transition, des bilans thermiques des fluides utilitaires, des bilans thermiques des plaques adiabatiques et des bilans de matières des fluides utilitaires; - pour chaque zone d'utilité de circulation de fluide utilitaire: des contraintes de température des fluides utilitaires et une contrainte de débit des fluides utilitaires.
Le modèle dynamique du réacteur selon l'invention est établi à partir d'un modèle dynamique de la chambre de réaction et d'un modèle dynamique des échanges thermiques, chaque modèle dynamique comprenant des équations rapportées à une cellule élémentaire de réaction 5, schématiquement représentée en figure 3 par un rectangle. Les flèches 32 et 33 représentent respectivement le sens de circulation du
milieu réactionnel dans la cellule élémentaire 5 de la chambre de réaction 24, et du fluide utilitaire dans les cellules latérales élémentaires E et E' des chambres latérales 27, 28, le sens de passage du fluide utilitaire dans les deux chambres 27, 28 étant dans cet exemple à cocourant par rapport à la circulation du milieu réactionnel dans la chambre de réaction 24, contrairement à la figure 1.
On définit par les indices p et u respectivement le milieu réactionnel et le fluide utilitaire. Fp représente le débit molaire du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire en mots"', Tp et Tu respectivement la température du milieu réactionnel et de fluide utilitaire dans leur cellule élémentaire en K, Hp l'enthalpie molaire du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire en J.mol-1, Vp le volume d'une cellule élémentaire de réaction en m3, up le nombre de moles dans le milieu réactionnel dans une cellule élémentaire et x la fraction molaire d'un réactif ou d'un constituant (i) dans une cellule élémentaire, les exposants k-1 et k indiquant le numéro de la cellule élémentaire de réaction (1 à 12 pour l'exemple de réalisation de la chambre de réaction 24 des figures 1 et 2) ou la lettre de la cellule élémentaire de circulation de fluide utilitaire (A à L et A' à L' pour les chambres gauche 27 et droite 28 de la figure 1).
Si on considère que dans les cellules élémentaires à contenu parfaitement agité de la chambre de réaction 24, la réaction chimique est réalisée dans un milieu homogène monophasique liquide dans lequel on peut appliquer la loi d'Arrhenius, le modèle dynamique de la chambre de réaction comprend par exemple les équations suivantes: - équation de bilan de masse ou de matière global du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire (en moes"') : k duP Ff'k +Fk-' Fk +Onk xVk dt p p p p P E avec AnP = AnP,i AnP i = l a,,J.rl et ri. = k . expl ( J)f(Ck J; J J R ff k p,i) - équation de bilan de masse ou de matière partiel des constituants (i) du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire (en moes"l) : d(uk xxk) P P," =Fp,kxp'ik +F p -1xP1 -F p xpi +On p i xV p dt - équation de bilan de pression du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire (en Pa) : pk = pk-1 Apk P P P - équation de modèle de volume du milieu réactionnel dans une cellule 5 élémentaire (en m) : VP mVP = O avec mVP = uP x V7 'k; équation d'enthalpie molaire du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire (en J.mol-l) : Hk mHPk =0; - contrainte de volume ou équation de débit molaire du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire (en m3 ou mol.s"') FP =0 pendant la phase de remplissage de toutes les cellules v ce!! élémentaires de réaction puis up Vml,k = 0 <=> Vp = rd' une fois les p cellules remplies; dans lesquelles Ff est le débit d'alimentation en mol.s"', An représente la vitesse de production en mol.m"3.s-1, a le coefficient stoechiométrique, r la vitesse de réaction en mol.m-3.s-1, k le facteur pré-exponentiel, Ea l'énergie d'activation en J.mol-1, R la constante des gaz parfaits, C la concentration d'un réactif en mol.m-3, xf la fraction molaire dans le débit d'alimentation, V le volume en m3, mV et mH le modèle de volume et le modèle d'enthalpie en m3 et en J.mol-1, respectivement, Vmi le volume molaire en m3.mol-', l'exposant cell désigne la cellule physique, l'exposant 13 l'ordre de réaction, l'indice j le numéro de la réaction, l'indice i le constituant considéré, t le temps en s, T la température en K, P la pression, et AP la perte de charge en Pa qui est définie par l'équation suivante: AP=4Lpvz, h dans laquelle le facteur de frottement ou de Fanning f est donné par f = 5.0464 Re-0'328 pour un écoulement laminaire (nombre de Reynolds Re < 2200) du milieu réactionnel dans la cellule élémentaire de réaction ou f = 2.17347 Re-0'42316 pour un écoulement turbulent (Re > 2200) ; L étant la longueur du parcours du milieu réactionnel dans la chambre de réaction 24 en m, p la densité du milieu réactionnel en kg.m-3, v la vitesse du milieu réactionnel en m.s-1 et dh le diamètre hydraulique équivalent d'une cellule élémentaire de réaction en m.
Si on considère que le réacteur à plaques est constitué d'une succession de réacteurs agités continus et que les propriétés physiques du fluide utilitaire sont constantes et homogènes pour une température donnée, le modèle dynamique de fluide utilitaire comprend par exemple les équations suivantes: - équation de continuité de débit de fluide utilitaire (en m3. s-1) : Fin = FÉ out. u u ' - équation de continuité de température de fluide utilitaire (en K) : ne T Tout = i=ne ncr+] ; ncr dans lesquelles les exposants in et out désignent respectivement l'entrée et la sortie de la chambre de circulation de fluide utilitaire, ncr désigne le nombre de cellule par rangée de cellules dans la chambre de circulation de fluide utilitaire (en figure 1, ncr est égal à trois pour les chambres 27 et 28), et nc désigne la dernière cellule dans la chambre de circulation de fluide utilitaire (en figure 1, dans la chambre 27, nc désigne L, ne-1 désigne K et nc-2 désigne J, et dans la chambre 28, nc désigne A', nc-1 désigne B' et nc-2 désigne C').
Le modèle dynamique comprend également un modèle de comportement du ou des réactifs dans l'élément de liaison 34 (figure 2) entre les moyens d'alimentation des réactifs et le point d'alimentation 25a sur la cellule 1, et un modèle de comportement du milieu réactionnel dans l'élément de liaison 35 entre le point de sortie 26 sur la cellule 12 et les moyens de collecte des produits de la réaction ou un point d'alimentation ou d'entrée sur une cellule d'une deuxième chambre de réaction non représentée (deuxième bloc de réaction). La prise en compte des éléments de liaison 34, 35 dans la modélisation dynamique du réacteur à plaques est importante car le volume cumulé de ces éléments n'est pas négligeable par rapport au volume de la chambre de réaction 24, et peut avoir une influence sur le rendement de la réaction chimique. Par ailleurs, dans ces éléments de liaison, les échanges thermiques sont limités avec les fluides utilitaires.
Plusieurs éléments du réacteur à plaques participent aux échanges thermiques, tels que les plaques de transition 21, 22, les chambres de circulation de fluide utilitaire 27, 28, les plaques adiabatiques 20, 23 et l'environnement thermique du milieu réactionnel (présence d'inserts dans la chambre de réaction 24).
Le modèle des échanges thermiques du milieu réactionnel dans les cellules élémentaires de réaction comprend des équations caractéristiques rapportées à une cellule élémentaire de réaction 5 schématiquement représentée en figure 4 par un rectangle qui est délimitée par les deux plaques 21 et 22, et deux cellules E, E' latérales de circulation de fluide utilitaire délimitées respectivement par les plaques 20, 21 et 22, 23 en figure 1. Les flèches 32 et 33 représentent respectivement le sens de circulation du milieu réactionnel dans la cellule élémentaire 5 de la chambre de réaction 24 et de fluide utilitaire dans les cellules latérales élémentaires E, E' des chambres latérales 27, 28, le sens de passage de fluide utilitaire dans les deux chambres 27, 28 étant à co- courant par rapport à la circulation du milieu réactionnel dans la chambre de réaction 24, contrairement à la figure 1.
La température de fluide utilitaire dans une cellule élémentaire 30 latérale dépend de celle de la cellule élémentaire latérale précédente dans le sens d'écoulement de fluide utilitaire et également de la présence de zones d'utilité dans le bloc de réaction. On peut ainsi représenter toutes les configurations thermiques envisageables pour les différents sens de passage de fluide utilitaire par rapport au milieu réactionnel.
On définit par les indices ut. et uR, les fluides utilitaires respectivement dans la chambre gauche 27 et dans la chambre droite 28, les autres désignations et représentations étant les mêmes que précédemment décrites.
Si on considère que les propriétés physiques des plaques de transition et adiabatiques et du fluide utilitaire sont constantes pour une cellule élémentaire à une température donnée et que la température de chaque plaque est calculée au milieu de la paroi, le modèle des échanges thermiques du milieu réactionnel comprend par exemple les équations suivantes: - équation de bilan énergétique du milieu réactionnel dans une cellule 15 élémentaire de réaction (en J.s-l) : d(uk xHk) P P =Fk lHk 1 FkHk +A k xVk +hk Ak(Tk T)+hk Ak(T.k Tk) dt n n n n qn n n,UL n UL P P. uR n UR P k 1 ' 1 k avec hP uL = ek P,uR _ ek AP (h" + XkuL + hk) (h" + Xkpu, + hk) UL PuL P UR PUR P et Aqp =>(mit; xrk) ; - équation de bilan thermique de fluide utilitaire dans la cellule latérale de la 20 chambre gauche 27 (en J.s"', la même équation est utilisée pour la cellule latérale de la chambre droite 28) : k Pk VkCpk dTuL =F"PU Cpk (T, k-1 -ÉTk)+hk Ak(7.k TukL UL UL UL dt UL L UL UL TukL UL,P P P uL - équation de bilan thermique de la plaque 21 disposée entre une cellule élémentaire de réaction et la cellule latérale de la chambre gauche 27 (en 25 J.s-1, la même équation est utilisée pour la plaque 22 disposée entre une k = Acell x VP V cen cellule élémentaire de réaction et la cellule latérale de la chambre droite 28) : pk Vk Cpk dTPu _hk Ak(Tk Tk + h k Acell(Tk Tk) Put Put Put, ,7t Put,P P P Put, Put Éut ut put k 1 k avec hPut P - k et hPut ut _ k ePut 1 ePut 1 ( k + k) ( k + k) Pu,. hP 2X Put hut dans lesquelles Fp et Fu représentent respectivement le débit volumique du milieu réactionnel en mol.s-1 et de fluide utilitaire en m3. s 1, e l'épaisseur des plaques 21, 22 délimitant la chambre de réaction 24 en m, la conductivité thermique en J.s-'.m"'.K-', h le coefficient de transfert thermique en J.s"'.m-2.K-1, T la température en K, Cp la chaleur spécifique du milieu en J.kg-'.K"', p la masse volumique du milieu en kg.m-3, Aq la chaleur générée par les réactions en J.rn"3.s 1, AHr la chaleur molaire de réaction en J.mol-1, A l'aire d'échange thermique en m2, et les indices puy et puR désignent respectivement la plaque 21 entre la chambre de réaction 24 et la chambre gauche 27 et la plaque 22 entre la chambre de réaction 24 et la chambre droite 28.
Le modèle précité des échanges thermiques est complété pour inclure l'inertie thermique du réacteur à plaques. Le modèle d'inertie thermique permet de tenir compte de la structure et de la composition des différents éléments du réacteur à plaques. Il comprend par exemple les équations suivantes, qui diffèrent des équations précédentes en ce qu'elles prennent en compte l'environnement thermique des différents fluides: - équation de bilan énergétique de l'environnement du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire de réaction (en J.s-l) : d (uk x HPk) = Ff.kHf.k +Fk lHk-1 FkHk +A k x vk +hk Ak(Tk _Tif) dt P P P P n n n n P.Puc n nui P k k( k Tk) + h k k( k k) + hP.rR AP TPUR P.,e, AP Te, TP k - équation de bilan thermique de l'environnement de fluide utilitaire dans la cellule latérale de la chambre gauche 27 (en J.s-1, la même équation est utilisée pour la cellule latérale de la chambre droite 28) : k PuLVkCPuL dd =FLpûLCp (Tk-1 -TL) +hk Ace!! 7.k .rk +h Acel1 T.k Tk PuL,uL ( PuL uL uL,te,,L te L uL) - équation de bilan thermique de l'environnement du milieu réactionnel dans une cellule élémentaire de réaction (en J.s-l) k dite PwVt,, P dt hP.'',Apk p Tte,) - équation de bilan thermique de l'environnement de la plaque adiabatique 20 de la chambre gauche 27 (en J.s-1, la rnême équation est utilisée pour la 10 plaque adiabatique 23 de la chambre droite 28) : k PeLV7e CpeL d7 huz,,,, Ap(Tuk Tte) dans lesquelles les coefficients de transfert thermique ont pour expression (en J.m"2.K-'.s-'): 1 k 1 1 1 hP.te = 1 puL.uL h" = et hk "-te- ,u + ep,PuL e + P.te e PUL,ut] + uL Je _ L + hp p,puL hn p.tep hu, 2puL,uL hu, dans lesquelles les indices tep et teu désignent respectivement l'environnement thermique du milieu réactionnel et du fluide utilitaire, et Hf l'enthalpie molaire du débit d'alimentation en J. mol"1.
Les échanges thermiques entre le milieu réactionnel et les fluides utilitaires ont été pris en compte séparément pour chaque plaque de 20 transition 21, 22, afin d'inclure l'inertie thermique due à ces plaques (par exemple en acier inoxydable) dans le modèle dynamique.
L'équation de bilan thermique de l'environnement du milieu réactionnel dans la cellule élémentaire de réaction, qui dépend de la température de l'environnement thermique du milieu réactionnel, a permis 25 de prendre en compte l'inertie thermique due à la structure de la chambre k hP PuL de réaction 24 et aux inserts (par exemple en polyétheréthercétone) présents dans cette chambre. Pour une cellule élémentaire donnée, la surface de transfert thermique et la masse de cet environnement thermique sont calculées à partir des caractéristiques géométriques des inserts et de la structure de la chambre de réaction 24.
Les équations de bilan thermique de l'environnement des fluides utilitaires dans les cellules élémentaires des chambres latérales gauche 27 et droite 28, qui dépendent de la température de l'environnement thermique des fluides utilitaires, ont permis de prendre en compte l'inertie thermique due aux plaques adiabatiques 20 et 23 (par exemple en acier inoxydable) dans le modèle dynamique. Les caractéristiques de l'environnement thermique (surface de transfert thermique, masse) sont calculées à partir des caractéristiques géométriques de ces plaques adiabatiques.
Pour une réaction chimique réalisée en milieu diphasique, le modèle dynamique du réacteur comprend toutes les équations caractéristiques et de bilan (énergétique, thermique, de masse, etc.) précitées établies pour chaque phase, la phase continue étant liquide et la phase dispersée étant liquide ou gaz. Les modèles dynamiques du milieu réactionnel dans la chambre de réaction 24, des fluides utilitaires dans les chambres latérales 27, 28, de comportement du milieu réactionnel dans les éléments d'entrée 34 et de sortie 35 de la ou des chambres de réaction 24, des pertes de charge, des échanges thermique du milieu réactionnel dans les cellules élémentaires 1 à 12 et de l'inertie thermique du réacteur, sont adaptés pour l'établissement du modèle dynamique d'un réacteur ouvert du type à plaques pour une réaction en milieu diphasique donnée.
Pour cela, les températures et les pressions dans chacune des phases sont considérées comme identiques et on assimile le milieu réactionnel à un milieu pseudo-homogène dont les propriétés physiques du milieu diphasique correspondant sont déterminées par des lois d'association qui relient les propriétés physiques du milieu diphasique aux propriétés de chacune des phases ainsi qu'à leurs proportions respectives, 2880967 23 la répartition des phases étant supposée homogène dans chaque cellule élémentaire. Des exemples de lois d'association sont présentés ci- dessous: - estimation de la masse volumique du milieu diphasique 1 _ ni.M. 1 P r m P; - estimation de la chaleur spécifique du miilieu diphasique Cp = 1 n; M Cp; ; m estimation de la conductivité thermique du milieu diphasique 1 m; estimation de la viscosité du milieu diphasique 1/3 u = 1 E n M 1/3 i,ui m; dans lesquelles n; représente le nombre de mole de la phase en mol, M; la masse molaire de la phase en kg.mol"1, m la masse totale du milieu diphasique en kg, i l'indice de la phase continue ou dispersée, la conductivité thermique du milieu en J.m-'.s-'.K"' et la viscosité du milieu en Pa.s.
La précision du modèle dynamique du réacteur pour une réaction en milieu diphasique est basée sur la stabilité du milieu réactionnel et donc de l'équilibre entre les deux phases. Les règles d'équilibre utilisées dans le modèle mathématique sont fonction de la dimension des gouttelettes de la phase dispersée dans la phase continue. La dimension des gouttelettes et leur distribution sont déterminées au moyen d'un outil logiciel d'évaluation de la population des gouttelettes.
L'outil logiciel d'évaluation de la population permet de prédire l'évolution au cours du temps d'une distribution de tailles de gouttelettes initiale et donc par conséquent du diamètre de Sauter dans les différentes cellules élémentaires de réaction de la chambre 24 du réacteur à plaques.
Cette évolution dépend des vitesses d'apparition et de disparition des gouttelettes, qui sont directement liés aux phénomènes de coalescence et de rupture. Les phénomènes de coalescence et de rupture sont introduits dans le programme à partir de corrélations faisant appel aux propriétés physiques et de transport du milieu diphasique.
La modélisation du transfert de matière repose sur l'hypothèse que la phase dispersée se présente sous la forme de gouttelettes sphériques dont le diamètre moyen est le diamètre de Sauter. Le transfert de matière entre les deux phases est modélisé à partir de la théorie du double film de Whitman.
Dans le modèle dynamique du procédé d'optimisation selon l'invention, les caractéristiques de transfert de masse sont calculées pour chaque cellule élémentaire de réaction. Grâce à des corrélations de transfert de masse, toutes les caractéristiques de transfert de masse (coefficient de transfert de masse, surface interfaciale, solubilité) sont reliées aux propriétés physiques d'un milieu diphasique liquide-liquide et au diamètre de Sauter. En conséquence, pour un milieu diphasique liquide- liquide donnée, une représentation précise du comportement du réacteur à plaques nécessite seulement une estimation correcte du diamètre de Sauter pour chaque cellule élémentaire de la chambre de réaction.
On se réfère désormais à la figure 5a qui est un diagramme illustrant les étapes essentielles du procédé d'optimisation selon l'invention, dans laquelle le modèle dynamique 36 du réacteur à plaques comprend une pluralité d'équations caractéristiques et de bilan du réacteur telles que décrites précédemment.
Un outil logiciel d'intégration 37 est utilisé pour simuler le comportement du réacteur à plaques à partir du modèle dynamique du réacteur pour une réaction donnée. Cet outil permet de résoudre les systèmes mixtes d'équations algébriques et différentielles du modèle dynamique, par couplage avec une base de données qui comprend la description hydrodynamique du réacteur 38, les propriétés physiques 39 du milieu réactionnel, du ou des fluides utilitaires et des matériaux des composants du réacteur (inserts, plaques,...), les modèles cinétiques et de chaleur de réaction de la réaction chimique 40, les transferts thermiques 41 entre les différents fluides, et les transferts de matière 42 liquide-liquide ou 5 liquide-gaz pour les réactions en milieu diphasique.
De nombreux paramètres ou entrées qui interviennent dans les différents modèles sont nécessaires à l'outil pour l'intégration du modèle dynamique. Ces paramètres comprennent les conditions opératoires 43 de la réaction tels que le nombre de réactions, le nombre de réactifs, la nature des réactifs, leur débit, leur température, leur pression, leur durée d'alimentation, les caractéristiques des réactions, les coefficients stoechiométriques, les ordres réactionnels, le facteur préexponentiel des constantes de vitesse, les énergies d'activation, et les débits et les températures des fluides utilitaires, un descriptif d'une configuration de base 44 du réacteur comprenant par exemple le nombre de cellules élémentaires par bloc de réaction, le nombre de cellules élémentaires par rangées, le nombre de blocs de réaction, le nombre de zones d'utilité par bloc de réaction, les dimensions du réacteur à plaques, la température du milieu extérieur, les aires d'échange thermique, le nombre de plaques, leur épaisseur, leur masse volumique, leur capacité calorifique, leur conductivité thermique, les dimensions des inserts, leur masse volumique, leur capacité calorifique, et la nature des fluides utilitaires, et d'autres paramètres d'intégration tels que les tolérances sur les erreurs absolues ou le temps final de l'intégration.
L'homme du métier connaît ce genre d'outil et de base de données. La base de donnée est par exemple Bipphy . L'outil logiciel d'intégration est par exemple DISCo, capable de résoudre des modèles dynamiques avec plus de 5000 équations caractéristiques et de bilan avec une grande rapidité et précision.
DISCo (Do Integrate by Software Components) est un outil d'intégration de systèmes d'équations algébro-différentielles basé sur la méthode de Gear de différentiation rétrograde selon un schéma de prédicteur-correcteur. Cet outil présente de nombreux avantages tels qu'un traitement global du système, sans discrimination entre équations ou variables, la possibilité d'intégrer au système de base des équations et donc des variables supplémentaires, offrant ainsi une grande flexibilité au modèle mathématique, des procédures automatiques de détection des évènements et de calcul de conditions initiales cohérentes, particulièrement utiles dans la recherche et la gestion d'évènements (procédure de démarrage, dynamiques) et la possibilité d'un traitement du système par matrice creuse, ce qui conduit à une réduction importante du temps de calcul.
L'outil logiciel d'intégration 37 permet de simuler le comportement du réacteur chimique appelé état du réacteur 45 pour une réaction chimique donnée. Cette simulation permet par exemple de prévoir le rendement de la réaction chimique, l'évolution de la température au cours de la réaction, etc. En figure 5b, l'opérateur cherche d'abord à définir un dimensionnement ou une configuration optimale du réacteur 46. Pour cela, il détermine ou évalue le ou les objectif(s) 47 à atteindre tels que l'amélioration de la productivité (rendement de la réaction), le respect de l'environnement (quantité de rejets faibles), ou un coût réduit, les contraintes 48 à respecter qui peuvent concerner la sécurité par exemple avec une température maximale du milieu réactionnel à ne pas dépasser, la productivité ou la rentabilité avec des quantités maximales ou minimales de réactifs prédéterminées, ou l'environnement avec une limitation des rejets toxiques ou néfastes ou difficilement recyclables ou biodégradables, et les caractéristiques variables 49 de structure du réacteur.
Ces caractéristiques variables 49 comprennent par exemple le nombre de blocs de réaction, le nombre de zones d'utilité par bloc, le 30 nombre et la position des points d'alimentation, les dimensions des chambres de réaction, le sens de passage à co-courant, contre courant ou courants croisés des fluides utilitaires par rapport à la circulation du milieu réactionnel dans la chambre de réaction, et le nombre, la nature et la géométrie des inserts dans la chambre de réaction.
En variante, l'objectif à atteindre peut être une fonction mathématique comprenant plusieurs critères quantitatifs. A titre d'exemple, la fonction objectif d'une ligne de production peut être définie par rapport à un critère de productivité et un critère environnemental, par l'équation suivante: f=qp. kp - qX. kX dans laquelle qp est la quantité de produit recherché de la réaction, kp le coût unitaire de ce produit, q, la quantité de produit non valorisable de la réaction, et k, le coût de traitement ou d'élimination de ce produit.
L'opérateur peut également définir des variations acceptables de ces objectifs et de ces contraintes, c'est-à-dire des marges autorisées.
Le procédé selon l'invention permet d'optimiser le dimensionnement ou la configuration optimale 46 du réacteur à partir de l'état du réacteur 45 précédemment défini, des conditions opératoires 43 précitées et de ces objectifs 47, contraintes 48 et variables 49. L'optimisation est obtenue par une pluralité de simulations 50 successives qui permettent d'atteindre le plus possible d'objectifs ou de fonctions objectifs en respectant les contraintes, voire les marges autorisées des objectifs et des contraintes, et en agissant sur toutes les caractéristiques variables de structure du réacteur à plaques.
L'optimisation du dimensionnement du réacteur est réalisée au moyen d'un second outil logiciel 51 tel par exemple que SQP (Successive Quadratic Programming) qui permet de définir les paramètres du dimensionnement ou de la configuration optimale 46 du réacteur pour une réaction donnée.
En figure 5c, l'opérateur cherche ensuite à déterminer les conditions opératoires optimales 52 pour optimiser le fonctionnement du réacteur pour la réaction donnée. Le ou les objectif(s) 47 à atteindre et les contraintes 48 à respecter restent les mêmes que lors de l'optimisation du dimensionnement du réacteur. Seules les variables changent, celles-ci étant des données variables de réaction 53 qui comprennent par exemple le débit, la température, la pression et la composition des différents réactifs, l'ordre d'alimentation de ces réactifs dans la chambre de réaction 24, et le débit et la température des fluides utilitaires.
Le procédé selon l'invention permet d'optimiser le fonctionnement du réacteur en déterminant les conditions opératoires optimales du réacteur pour une réaction donnée, à partir du dimensionnement ou de la configuration optimale du réacteur précédemment défini, des conditions opératoires précitées et des objectifs, contraintes et variables précités. L'optimisation est obtenue par une pluralité de simulations 50 successives qui permettent d'atteindre le plus possible d'objectifs ou de fonctions objectifs précitées en respectant les contraintes, voire les marges autorisées des objectifs et des contraintes, et en agissant sur toutes les données variables de réaction.
L'optimisation du fonctionnement du réacteur est également réalisée au moyen de l'outil logiciel 51 précité. Les conditions opératoires optimales permettent par exemple de réaliser des études comparatives en termes de contrôle du réacteur, et de sécurité et de sensibilité de la réaction chimique.
Des exemples d'optimisation du comportement d'un réacteur à plaques pour un dimensionnement donné et pour une réaction donnée sont illustrés en figures 6 à 12.
Les figures 6 et 7 sont des graphes du suivi de la réaction d'oxydation du thiosulfate de sodium. L'axe 149 des abscisses représente le volume de la chambre de réaction en litre. L'axe 150 des ordonnés à gauche représente la température en degré Celsius et l'axe 151 des ordonnés à droite représente le rendement de la réaction sur une échelle de 1.
La courbe 152 est l'évolution du rendement de la réaction d'oxydation, les courbe 153, 154 et 155 sont respectivement l'évolution de la température du milieu réactionnel, des fluides utilitaires et des plaques délimitant la chambre de réaction.
L'oxydation du thiosulfate de sodium est réalisée par du peroxyde d'hydrogène selon la réaction ci-dessous, les produits de la réaction étant 5 du trithionate de sodium, du sulfate de sodium et de l'eau.
2 Na2S,O3 + 4 H2O2 -+ Na7S3O6 + Na-,SO4 + 4 H2O La réaction est très exothermique et réalisée en milieu homogène liquide dans un réacteur à plaques comprenant trois blocs de réaction. Les études expérimentales précitées de distribution de temps de séjour permettent d'assimiler le réacteur à plaques à une:succession de 91 cellules élémentaires, le réacteur comprenant trois blocs de réaction en parallèle formés de 27cellules élémentaires chacun, et séparés les uns des autres par un élément de transition formé de 10 cellules élémentaires. Le nombre d'équations dans le modèle dynamique du réacteur pour cette réaction est de 1920.
En figure 6, le milieu réactionnel est peu concentré en réactifs, le thiosulfate de sodium est injecté à 40 L.h"1 avec une concentration de 0, 62 mol.L-1, le peroxyde d'hydrogène à 10 L.h1 avec une concentration de 1, 28 mol.L-1, et les fluides utilitaires sont de l'eau à 14 C alimentée à un débit de 1,8 m3.h-1 dans le premier bloc de réaction et de 0,9 m3.h-1 dans les deux autres blocs de réactions.
L'opérateur fixe un unique objectif, l'amélioration du rendement de la réaction d'oxydation, une donnée variable de réaction qui est les débits des fluides utilitaires, et une contrainte de température du milieu réactionnel qui doit rester inférieure à 100 C.
En figure 7, le milieu réactionnel est plus concentré en réactif, le thiosulfate de sodium est injecté à 40 avec une concentration de 0,75 mol. L"1, le peroxyde d'hydrogène à 10 L.h-1 avec une concentration de 1, 59 mol.L"1, et les fluides utilitaires sont de l'eau à 14 C alimentée à un débit de 2,3 m3.h'1 dans le premier bloc de réaction et de 1,2 m3.h"1 dans les deux autres blocs de réactions.
Le procédé selon l'invention permet d'optimiser le réacteur à plaques pour la réaction d'oxydation du thiosulfate de sodium en agissant sur des données variables de réaction qui sont les débits des fluides utilitaires.
La réaction d'oxydation du thiosulfate de sodium est ensuite mise en oeuvre dans un réacteur à plaques construit pour fonctionner avec les débits optimisés des fluides utilitaires, et des mesures de paramètres physiques tels que la température et la pression sont réalisées lors de cette mise en oeuvre pour valider le fonctionnement du réacteur.
En figures 6 et 7, les points en forme de losange 156 sont des mesures expérimentales du rendement de la réaction, les points en forme de carré 157 et de triangle 158 sont respectivement des mesures expérimentales de la température du milieu réactionnel et des fluides utilitaires.
Les résultats expérimentaux sont proches des courbes correspondantes, ce qui permet de valider la simulation de cette réaction chimique dans le réacteur à plaques et donc la précision du modèle dynamique.
La simulation permet d'autre part de localiser précisément le pic de température 158 en figure 7 (à plus de 90 C), qui n'apparaît pas dans les mesures expérimentales à cause du petit nombre de capteurs et leur disposition, la température maximale mesurée étant inférieure à 60 C.
Les figures 8 à 10 sont des graphes du suivi de la réaction d'hydrolyse de l'anhydride acétique. L'axe 159 des abscisses représente le numéro de la cellule élémentaire de réaction. Dans cet exemple de réalisation, le réacteur à plaques comprend 30 cellules élémentaires séparées en trois blocs de réaction, le passage d'une chambre de réaction d'un bloc à la suivante étant schématiquement représenté par les lignes verticales en pointillés 160. L'axe 161 des ordonnées représente la température en degré Celsius. Les courbes 162, 163 et 164 sont respectivement l'évolution de la température du milieu réactionnel, des fluides utilitaires et des plaques de transition délimitant la chambre de réaction.
L'hydrolyse de l'anhydride acétique produit de l'acide acétique selon la réaction ci-dessous.
CH3-CO-O-CO-CH3 + H2O - 2 CH3-CO-OH L'opérateur fixe un objectif de productivité maximale, une contrainte de température du milieu réactionnel qui doit rester inférieure à 80 C, et des caractéristiques variables de structure du réacteur qui sont le nombre et la disposition des points d'alimentation des réactifs pour l'optimisation du dimensionnement du réacteur.
En figure 8, l'anhydride acétique a été entièrement injecté dans la cellule 1 de la chambre de réaction, à une température de 30 C et un débit de 40 L.h-l. L'eau a aussi été injectée dans la cellule 1 à une température de 30 C et un débit de 10 L.h"'. Les fluides utilitaires ont une température de 15 C et un débit de 10800 L.h"1 car la réaction est très exothermique. On voit que les valeurs choisies des variables d'optimisation ne permettent pas de respecter la contrainte de température.
En figure 9, l'anhydride acétique a été entièrement injecté dans la cellule 1 de la chambre de réaction, à une température de 30 C et un débit de 40 L.h"'. L'eau a été injectée dans la cellule 1 (première cellule du premier bloc), à une température de 30 C et un débit de 5 L. h"1, et dans la cellule 11 (première cellule du deuxième bloc de réaction) , à une température de 30 C et un débit de 5 L.h-l. Les fluides utilitaires ont une température de 15 C et un débit de 10800 L.h-1.
L'eau a donc été introduite dans la chambre de réaction en deux fois et en deux points d'alimentation différents. Cela permet de diminuer un peu la température maximale du milieu réactionnel qui passe de 138 C en figure 8 à 104 C en figure 9. Le nombre et la disposition des points d'alimentation des réactifs du réacteur ne sont toutefois pas corrects puisque la contrainte de température n'est toujours pas respectée.
En figure 10, l'anhydride acétique a été entièrement injecté dans la cellule 1 de la chambre de réaction, à une température de 30 C et un débit de 40 L.h-l. L'eau a été injectée dans la cellule 1, à une température de 30 C et un débit de 3,33 L.h"', dans la cellule 11, à une température de 30 C et un débit de 3, 33 L.h"', et dans la cellule 21 (première cellule du troisième bloc), à une température de 30 C et un débit de 3,33 L.h-l. Les fluides utilitaires ont une température de 15 C et un débit de 10800 L.h"1.
L'eau a ici été introduite dans la chambre de réaction en trois fois et en trois points d'alimentation différents. Cela permet de diminuer la température maximale du milieu réactionnel en dessous de la contrainte de 80 C. Le procédé d'optimisation a permis d'identifier un dimensionnement approprié répondant à l'objectif de productivité et respectant la contrainte de température.
Les figures 11 et 12 sont des graphes du suivi de la réaction de production du néopentyl glycol. L'axe 165 des abscisses représente le volume de la chambre de réaction en litre. Dans cet exemple de réalisation, la chambre de réaction comprend 40 cellules élémentaires séparées en quatre blocs de 10 cellules élémentaires ayant chacune un volume de 0,035L environ. L'axe 166 des ordonnés à gauche représente la température en degré Celsius et l'axe 167 des ordonnés à droite représente le rendement de la réaction en pourcentage.
La courbe 168 est l'évolution du rendement de la réaction, les courbe 169, 170 et 171 sont respectivement l'évolution de la température du milieu réactionnel, des fluides utilitaires et des plaques délimitant la chambre de réaction.
L'équation de production du néopentyl glycol est la suivante: 2 (Formaldéhyde) + (2-méthyl propanal) + (hydroxyde de sodium) p (néopentyl glycol) + (formate de sodium) Aux figures 11 et 12, les lignes verticales en pointillés 172 et 173 représentent respectivement les points d'alimentation de l'hydroxyde de sodium et du 2-méthyl propanal. L'hydroxyde de sodium est donc introduit en une seule fois lorsque le volume de la chambre de réaction est proche de 0,05L, ce qui correspond à la deuxième cellule de la chambre de réaction (0,035L par cellule élémentaire), et le 2-méthyl propanal est introduit en trois fois, dans la troisième cellule, la quinzième cellule et la vingt-huitième cellule.
En figure 11, la réaction étant exothermique, les fluides utilitaires ont une température de 50 C et un débit de 1,5 m3.h-1. Les réactifs sont injectés à une température de 18 C, et le 2-méthyl propanal a une concentration de 2 mol.kg"' pour un débit total de 9,14 L.h"' (trois injections à des débits identiques de 3,05 L.h-' environ). Le taux de conversion atteint est de 89,4% et la température maximale du milieu réactionnel au cours de la réaction est 66,6 C.
L'opérateur fixe un objectif d'augmentation du rendement de la réaction de production du néopentyl glycol, des données variables d'optimisation du fonctionnement de la réaction qui sont les débits d'alimentation du 2méthyl propanal pour chaque point d'alimentation, et une contrainte à respecter qui est une température limite du milieu réactionnel à ne pas dépasser, qui est de 65 C.
Le résultat est représenté en figure 12, où les fluides utilitaires ont une température de 50 C et un débit de 1,5 m3.h-1, les réactifs sont alimentés à une température de 18 C, et le 2-méthyl propanal a une concentration de 2 mol.kg-' pour un débit total de 9,14 L. h-l. Les trois injections de 2-méthyl propanal ont des débits différents: de 5,91 L.h-' pour la première alimentation en cellule 3, de 2,73 L.h-1 pour la deuxième alimentation en cellule 11 et de 0,50 L.h"' pour la troisième alimentation en cellule 21. Le taux de conversion atteint est de 95,6% et la température maximale du milieu réactionnel au cours de la réaction atteint 65 C et respecte la contrainte fixée.
Le procédé d'optimisation a donc 1permis d'atteindre un objectif de 30 rendement d'une réaction et de respecter une contrainte de température en agissant sur des données variables de réaction qui sont les débits d'alimentation d'un réactif en plusieurs points de la chambre de réaction.
Claims (22)
1. Procédé d'optimisation d'une réaction chimique dans un réacteur, caractérisé en ce qu'il consiste à : - utiliser un réacteur ouvert constitué d'un empilement de plaques (20, 21, 22, 23) délimitant entre elles au moins un bloc comprenant une chambre de réaction (24) formée entre deux chambres latérales (27, 28) d'échange thermique à circulation de fluide utilitaire d'échange de chaleur, des moyens d'alimentation de la chambre de réaction (24) par un débit continu d'un ou de plusieurs réactifs et des moyens d'alimentation des deux chambres latérales (27, 28) par un débit continu de fluide utilitaire; - établir un modèle dynamique (36) du réacteur pour une réaction donnée, à partir d'une modélisation de la chambre de réaction (24) et des échanges thermiques entre cette chambre de réaction (24) et les chambres latérales (27, 28) à circulation de fluide utilitaire, ce modèle dynamique (36) comprenant des équations de bilans de matière et d'énergie et de contraintes; - appliquer un outil logiciel d'intégration (37) à ce modèle dynamique (36) pour résoudre les équations précitées; - déterminer et optimiser un ensemble de paramètres dimensionnels et/ou fonctionnels du réacteur à partir d'évaluations des objectifs (47) à atteindre, des contraintes (48) à respecter, et des données variables du réacteur (49) et/ou de la réaction (53) ; construire un réacteur à plaques du type précité conforrne audit ensemble 25 optimisé de paramètres; et - faire des mesures de paramètres physiques tels que la température et la pression lors de la mise en oeuvre de ladite réaction dans le réacteur construit, pour valider son fonctionnement.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, après la construction du réacteur, à : - établir un nouveau modèle dynamique de réacteur à partir du réacteur construit en procédant comme précité ; - appliquer l'outil logiciel d'intégration (37) à ce nouveau modèle dynamique pour résoudre les équations précitées; -optimiser à nouveau ledit ensemble de paramètres dimensionnels et /ou fonctionnels du réacteur; et - modifier si nécessaire ledit réacteur construit, conformément au nouvel ensemble optimisé de paramètres.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la modélisation de la chambre de réaction (24) comprend une décomposition de cette chambre en une série de cellules élémentaires successives contenant chacune un milieu fluide parfaitement agité.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le milieu fluide dans chaque cellule élémentaire est homogène et son état et ses évolutions sont définis par des équations de bilan de matière, de bilan enthalpique, de bilan de pression et de contraintes de volume.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le milieu fluide contenu dans chaque cellule élémentaire de la chambre de réaction (24) est un milieu diphasique comprenant une phase continue et une phase dispersée.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'état et l'évolution du milieu diphasique sont définis dans chaque cellule élémentaire à partir d'équations d'estimaton de la masse volumique, de la chaleur spécifique, de la conductivité thermique et de la viscosité du milieu diphasique, et d'équations de bilan de matière, de bilan enthalpique, de bilan de pression et de contraintes de volume.
7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la modélisation des échanges thermiques comprend une décomposition de chacune des chambres latérales (27, 28) en une série de cellules élémentaires contenant chacune un milieu fluide parfaitement agité, le nombre de cellules élémentaires de chaque chambre latérale (27, 28) étant égal au nombre de cellules élémentaires de la chambre de réaction (24), et une définition du sens de circulation de fluide utilitaire clans chaque cellule élémentaire par rapport au sens de passage du fluide réactionnel dans la cellule élémentaire correspondante de la chambre de réaction (24)
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la modélisation des échanges thermiques comprend également des équations de bilan thermique relatives au fluide réactionnel, aux plaques (20, 21, 22, 23) délimitant les chambres latérales (27, 28) d'échanges thermiques, et aux fluides utilitaires circulant dans les chambres latérales (27, 28), et des équations de bilan de matière des fluides utilitaires dans les différentes cellules élémentaires précitées des chambres latérales (27, 28).
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modèle dynamique du réacteur comprend également des modèles des zones d'entrée et de sortie du réacteur, des zones d'entrée et de sortie de chaque chambre de réaction (24) et des zones de transition entre les différents blocs du réacteur.
10. Procédé selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à modéliser le comportement hydrodynamique du réacteur à partir d'études expérimentales de distribution de temps de séjour des fluides dans les différentes parties du réacteur, pour définir le nombre de cellules élémentaires à contenu parfaitement agité.
11. Procédé selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend également une modélisation de la réaction à partir d'équations de vitesse de la réaction, de taux de production de constituants de la réaction et de génération de chaleur, dans chaque cellule élémentaire de la ou des chambres de réaction (24).
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également une modélisation du transfert de matière, dans une réaction en milieu diphasique, entre les deux phases du milieu réactionnel, à partir de propriétés physiques du milieu diphasique et de la taille des gouttelettes de la phase dispersée.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également une modélisation du transfert thermique à partir de définitions des coefficients de transfert thermique entre les plaques délimitant les chambres latérales (27, 28) et les fluides circulant dans la chambre de réaction (24) et dans les chambres latérales (27, 28), et d'estimations des coefficients de film du fluide réactionnel et de fluide utilitaire.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également une modélisation des pertes de charge du fluide réactionnel dans le réacteur, faite à partir de mesures expérimentales.
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également une estimation des propriétés physiques des composants du réacteur et des fluides réactionnels et utilitaires.
16. Procédé selon l'une des revendications 3 à 15, caractérisé en ce qu'il consiste à optimiser le dimensionnement du réacteur, pour des objectifs (47) et des contraintes (48) données, par ajustement de paramètres tels que le nombre de séries de cellules élémentaires, le nombre de points d'alimentation de réactifs dans la chambre de réaction (24), le sens de passage du fluide utilitaire par rapport au milieu réactionnel, la nature et la distribution du fluide utilitaire, le volume de la chambre de réaction (24) et/ou les volumes des chambres latérales (27, 28) de circulation de fluide utilitaire.
17. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à optimiser le fonctionnement du réacteur, pour des objectifs (47) et des contraintes (48) données, par ajustement de paramètres opératoires comprenant les températures, les pressions, les compositions et/ou les débits des fluides réactionnels et des fluides utilitaires.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que, le réacteur ou la chambre de réaction (24) comprenant plusieurs zones d'entrée de fluides, il consiste à ajuster les débits, les températures, les pressions et/ou les compositions d'injection des fluides dans ces différentes zones.
19. Procédé selon l'une des revendications 5 à 18, caractérisé en ce que le milieu réactionnel diphasique est considéré comme un milieu pseudohomogène et les propriétés physiques des deux phases sont déterminées par des lois d'association reliant les propriétés physiques du milieu diphasique aux propriétés de chacune des phases ainsi qu'à leurs proportions.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer au mélange de phases des règles d'équilibre entre les deux phases en fonction de la dimension des gouttelettes de la phase dispersée, des propriétés thermodynamiques des phases en présence, et/ou des conditions d'écoulement.
21. Procédé selon la revendication 19 ou 20, caractérisé en ce qu'il consiste à suivre l'évolution de la taille des gouttelettes de la phase dispersée dans les cellules élémentaires de la ou des chambres de réaction (24).
22. Procédé selon l'une des revendications 16 à 21, caractérisé en ce qu'il consiste également à définir des valeurs limites des paramètres opératoires satisfaisant à des contraintes de sécurité et/ou environnementales.
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