Transfert de masse et vitesse de réaction

Lors du développement des produits chimiques, la compréhension fondamentale du procédé de mélange est essentielle à l'extrapolation. Le mélange consiste à réduire ou à éliminer l'hétérogénéité des phases qui sont soit miscibles soit immiscibles. L'objectif est soit de réduire ou éliminer les gradients de température ou de concentration, soit de garantir une bonne dispersion des phases multiples. Un bon mélange est souhaitable pour plusieurs raisons, notamment les réactions parallèles ou la formation de sous-produits, l'amélioration du transfert de masse dans les systèmes multiphasiques, ou la garantie d'un transfert rapide de la chaleur. L'efficacité du mélange est influencée par le type de matériau à mélanger, le modèle de l'agitateur et du réacteur, le régime de mélange, mais également la position du tube d'alimentation et les conditions de fonctionnement. [Handbook of Industrial Mixing, Science and Practice. Paul, E. Wiley (2004)]. Les réactions chimiques se produisant dans une cuve agitée, dans laquelle les réactifs peuvent être présents dans plusieurs phases (liquide, gazeuse ou solide), nécessitent un contact important entre les interfaces pour obtenir un transfert de masse optimal. Un mélange incorrect ou médiocre peut conduire à une vitesse de réaction réduite, un rendement réduit, une sélectivité moindre ou une concentration accrue des impuretés, et en conséquence à une augmentation significative des coûts de fabrication. Le transfert de masse et la cinétique peuvent entrer en concurrence et contribuer à la vitesse de réaction globale. Pour extrapoler et optimiser le procédé, il est nécessaire de quantifier l'effet du mélange sur la vitesse de réaction. Il convient d'exploiter les réacteurs de laboratoire dans les conditions qui permettent une caractérisation et une extrapolation pertinentes du procédé.

Il est souvent difficile de développer et d'extrapoler un procédé chimique. Lorsque l'on tient uniquement compte des mesures mécaniques telles que la vitesse d'agitation, la géométrie et la conception de l'agitateur, il est difficile corréler la performance et le mélange des réacteurs à petite et grande échelle. Une approche plus pertinente pour étudier la dynamique du procédé dans les petits réacteurs consiste à mesurer le coefficient de transfert de masse directement dans le système réactionnel en question. Des expériences automatisées et contrôlées réalisées en parallèle dans un système de réacteurs de laboratoire permettent d'établir une corrélation entre les différentes valeurs de transfert de masse, afin de pouvoir ajuster rapidement la zone d'interface gaz/liquide et le volume du réacteur, pour ainsi obtenir les conditions souhaitées nécessaires à l'extrapolation ou à la réduction d'un procédé.

Dans les systèmes multiphasiques, le transfert de masse entre les phases est essentiel à l'extrapolation et à la performance du réacteur, et la puissance mécanique transférée par l'interaction de l'hélice avec le fluide est critique. Elle affecte le degré de dispersion des diverses phases et le transfert de masse correspondant entre celles-ci. Dans un procédé à une seule phase liquide, dans lequel une réaction rapide peut entraîner la formation de produits et de sous-produits en concurrence, le niveau de turbulence du fluide peut affecter la sélectivité et le rendement du procédé chimique global.

Dans de tels systèmes, la puissance mécanique par unité de volume détermine le niveau de turbulence, et la performance du procédé. Pour une hélice et une géométrie de réacteur à cuve agitée spécifique données, il est possible d'obtenir une courbe de performance d'hélice universelle. Cela permet de caractériser la puissance de l'hélice s'appliquant sur la phase fluide.

Le courbes type de performance en fonction de la puissance (nombre de Reynolds (Re) par rapport à l'indice de puissance (Np), tel qu'illustré à droite) sont indépendantes du volume du réacteur, et par conséquent facilitent l'extrapolation et la caractérisation du système. Le nombre de Reynolds sans dimension indique si le fluide circule en régime laminaire ou turbulent dans le réacteur. Il représente le rapport des forces d'inertie (forces de l'hélice sur le fluide), en comparaison avec les forces visqueuses intrinsèques au fluide du procédé. Lorsque les forces visqueuses sont dominantes et que Re < 10, l'écoulement du fluide est gouverné par la viscosité du fluide, et le régime d'écoulement est laminaire. Lorsque les forces de l'hélice sont dominantes et que Re> 2 000-10 000, l'écoulement du fluide est indépendant de la viscosité, proportionnel à la densité, et donc turbulent. Le point exact de transition en régime turbulent dépend de la géométrie du réacteur, et de la présence d'éléments favorisant la « turbulence » dans le réacteur, tels que les déflecteurs. Les réacteurs de laboratoire offrent des moyens rapides de tester chaque configuration de fluide et de réacteur-hélice.

Dans un exemple du web-séminaire, Importance du mélange, Ray Machado, Ph.D., Rm2 Technologies LLC et Air Products and Chemicals, décrit l'optimisation du mélange en vue des réactions rapides en réacteur de synthèse automatisé. En utilisant la réaction de S₂O₃^-2 et I₂ en présence d'amidon, il démontre l'effet du mélange sur la distribution des réactifs en décrivant où se déroulent les réactions chimiques rapides produisant des sous-produits en concurrence. Sur la vidéo, le panache noir représente le sous-produit de la réaction de l'iode avec l'amidon. Cependant, dès que le complexe amidon-iode réagit avec le thiosulfate en solution, il redevient transparent. Le mélange, la vitesse d'alimentation et l'emplacement de l'alimentation affectent tous le taux de réaction primaire. Plus le tube d'alimentation est proche de l'hélice, ou plus la vitesse d'agitation est élevée, plus la formation de sous-produits est faible. À l'inverse, à mesure que la vitesse d'agitation augmente, la quantité de sous-produit diminue rapidement.

Le transfert de masse du gaz dans la phase réactionnelle liquide constitue le paramètre principal et essentiel du procédé, qu'il est impératif de caractériser lors d'une réaction gaz-liquide. La stratégie d'extrapolation consiste à aligner les coefficients de transfert de masse, kla, entre les volumes à petite et à grande échelle, plutôt que d'aligner la géométrie, les vitesses d'agitation, ou autres caractéristiques de mélange. L'article, Fundamentals of Mass Transfer and Kinetics for the Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline,présente les étapes du calcul du coefficient de transfert de masse, et met en garde contre les informations trompeuses présentes dans les études sur l'agitation portant sur l'hydrogénation catalytique.

Dans le web-séminaire, Importance du mélange : comparaison des données en laboratoire et à l'usine, Ray Machado présente l'effet du mélange sur la cinétique, le transfert de la chaleur, la thermodynamique, le transfert de masse entre les phases, et l'optimisation du mélange des solides ou des gaz. Le mélange peut affecter le rendement, la sélectivité et la formation de sous-produits. Il propose des conseils pour mesurer et calculer les paramètres fondamentaux en vue de l'extrapolation.

Les postes de développement et d'extrapolation des procédés offrent aux scientifiques la possibilité d'étudier et d'optimiser le mélange et le transfert de masse en temps réel. Le contrôle du mélange peut être automatisé et préprogrammé, de manière à pouvoir mener les expériences en toute sécurité tout en enregistrant l'ensemble des paramètres de réaction, 24 h/24. La mesure et le contrôle étant sûrs, hautement exacts et précis, le nombre d'expériences nécessaires est sensiblement réduit, ce qui permet d'optimiser l'extrapolation.

• Transfert de chaleur et extrapolation
• Effet du mélange sur la cristallisation
• Cinétique des réactions chimiques

David Ford, de Nalas Engineering, a étudié une réaction de nitration oxydative dans une étape d'oxydation rapide et hautement exothermique, à l'aide d'une calorimétrie réactionnelle et de technologies de mesures industrielles. La réaction a initialement été développée sous la forme d'un procédé en lots, mais pour étudier le mélange, le rendement et le transfert de la chaleur, un procédé continu utilisant des réacteurs à flux en série comportant deux réacteurs continuellement agités à flux continu (CSTR) a été développé.