chapitre II

Chapitre II
Classification des réacteurs chimiques. Bilans de matière dans les réacteurs idéaux.
II.1.Introduction
Les réacteurs sont des appareils permettant de réaliser une réaction chimique, c’est à
dire la transformation de produits de caractéristiques données en d’autres produits de
caractéristiques et propriétés différentes.
II.2. Classification des réacteurs chimiques
Le Tableau ci-dessous rassemble les types des réacteurs chimiques, et leurs critères de
classification.
Critères
Caractéristiques
Circulation du
mélange
réactionnel
 Discontinu (ou fermé)
 Semi-continu (ou semi-fermé)
 Continu (ou ouvert)
Evolution dans le
temps
 Régime transitoire (opération discontinue ou démarrage ou
arrêt)
 Régime permanent (marche continue des réacteurs ouverts)
Degré de mélange
 Réacteur parfaitement agité (Réacteur discontinu parfaitement
agité (RDPA), Réacteur continu stationnaire parfaitement agité
(RCPA), de concentrations et température uniformes)
 Réacteur continu tubulaire stationnaire à écoulement piston
(RCP) ou réacteur piston (RP) (progression de la charge sans
mélange)
Nature des phases
en présence
 Réacteur monophasique : gaz (G), liquide (L).
 Réacteur biphasique : G+L, L1+L2, G+S (solide), L+S,…
 Réacteur polyphasique : [G+L+S], [G+ L1+L2],
[S+L1+L2],…

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II.3. Réacteurs monophasiques
On traitera ici de réacteurs homogènes : une seule phase (liquide ou gaz).
Nous ne considérons ici que les modes de fonctionnement discontinu ou à écoulement
stationnaire.
II.3.1. Réacteur fermé (RF, batch reactor)
Dans un réacteur fermé on peut introduire en une seule fois les réactifs et effectuer la
vidange, également en une seule fois, en fin de réaction. Le système reste fermé pendant la
réaction ; en ce sens qu’l n’y a pas gain de matière. Cette méthode est aussi connue sous le nom
de méthode statique. C’est l’appareillage le plus simple que l’on puisse envisager pour réaliser
une transformation chimique. Il consiste en un récipient dans lequel les réactifs sont introduits
au début de l’opération ; après mise en conditions de température et de pression, la
transformation se déroule jusqu’à l’obtention du taux de conversion désiré. Les réacteurs fermés
discontinus sont très utilisés en industrie chimique, pétrochimique ou biochimique, pour la
production de produits de diverses qualités. Les processus mis en jeu sont discontinus et
polyvalents. Ils présentent un volume restreint de production et des systèmes réactionnels
complexes et parfois imprévisibles.

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Les éléments essentiels constituent cet appareillage étant :
 Un récipient capable de contenir un volume de mélange réactionnel.
 Une surface utilisable l’échange thermique.
 Un système d’agitation pour mélanger les réactifs au début de l’opération et faciliter le
transfert thermique à travers la surface d’échange.
II.3.2. Réacteur semi-fermé (RSF, semi-batch reactor)
Un réacteur semi fermé (semi batch) est un appareillage qui permet de réaliser une
transformation chimique, dans lequel un réactif est ajouté ou un produit est extrait en cours
d’opération. Le réacteur semi continu ne diffère de la marche en discontinu que par les appareils
annexes, il est fréquemment employé dans divers industries (pharmacie, biotechnologie,
Chimie de spécialité, formulations, chimie fine, agro-alimentaire etc.). Il est également
recommandable dans le cas d’une réaction violente et dangereuse.

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II.3.3. Réacteur ouvert parfaitement agité (RPA, Continuous Stirred Tank
Reactor) :
Le réacteur parfaitement agité continu se caractérise par une composition et un état
instantanés du mélange réactionnel parfaitement uniformes dans tout le volume qui lui est
offert. Les réactifs ajoutés sont mélangé dans un temps infiniment cours, on a la même
composition instantané à la sortie que à l’intérieur du mélange réactionnel. Cet appareillage est
doté d’une alimentation continue en réactif et d’un soutirage continu du mélange réactionnel
contenant les produits de la réaction.
II.3.4. Réacteur piston (RP, Plug Flow Reactor)
Contrairement au ROPA, le RP est un réacteur non mélangé. La composition du fluide
varie le long du réacteur. Le mélange progresse dans l’appareil par tranches qui n’échangent
pas de la matière entre elles. Le modèle du réacteur piston est celui d’un réacteur tubulaire, à
l’intérieur duquel le fluide s’écoule comme poussé par un piston.
Ce réacteur est caractérisé par la non-uniformité des concentrations, lesquelles varient avec la
composition longitudinale z le long de l’écoulement. Puisque la composition du fluide est
uniforme sur une section de réacteur, mais varie axialement entre l'entrée et la sortie du réacteur,
le bilan de matière doit être effectué sur un élément de volume différentiel.

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II.4. Bilans de matières dans les réacteurs idéaux
II.4.1. Formulation générale du bilan
L’équation du bilan matière est l’outil de base pour l’ingénieur chimiste pour analyser
la performance et le comportement du réacteur.
Les bilans sont des expressions des lois de conservation dans les processus chimiques et
physiques. Dans une réaction chimique, la masse totale reste constante (sauf dans les réactions
nucléaires !) « Loi de LAVOISIER ». En Génie des Réacteurs, les bilans sont en général écrits
à l’échelle macroscopique, sur les composés (réactifs et produits)
- L’écriture en masse ou en moles est alors équivalente.
- L’écriture en moles est la plus pratique, puisque la stœchiométrie de la réaction peut être prise
en compte directement.
Donc par une équation de bilan, on peut relier la composition du mélange réactionnel, les flux
de matière entrant et sortant du réacteur et les débits de transformation chimique.
Pour chaque constituant, l’équation de bilan de matière (molaire), s’écrit par la formulation
suivante basée sur le principe de conservation de matière :
[Flux entrant dans V] + [Débit de production] = [Flux sortant de V] + [Débit d’accumulation]
 Bilan sur un constituant chimique j
 (II.1)
je : Flux de l’élément i à l’entrée du réacteur [mole/s] ;
js : Flux de l’élément i à la sortie du réacteur [mole/s] ;
V : Volume du mélange réactionnel dans le réacteur [m3] ;
 : Vitesse de transformation du réactif  par rapport au volume V [mole/s.m3] ;
 = ν r, r est la vitesse globale de la réaction,
 : Débit d’accumulation.