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ATEX, DESP

REACTEURS CHIMIQUES


Le réacteur chimique est l’organe essentiel de la production de molécules de synthèse avec des procédés batch.

Si la molécule est synthétisée par une voie chimique, la cuve est appelée communément « réacteur », ou même « Grignard ».

Si la molécule est synthétisée par une voie de la biotechnologie, la cuve est appelée « bioréacteur » ou « fermenteur ».

Livraison d un réacteur Installation de réacteur

Le terme de « bouilleur » est réservé aux réacteurs utilisés pour des opérations de distillation, soit lors d’une extraction végétale, soit après une synthèse organique.

Détail de double enveloppe de réacteur

Le réacteur est défini par :

une capacité, de 5 litres à 40000 litres selon la masse du lot à produire,

un matériau, résistant à la corrosion par les réactifs utilisés, et même à la corrosion par les molécules « naissantes » produites au cours des réactions,

un programme de pressions, généralement entre le vide et 6 bar, mais occasionnellement 25, 30 bar ou plus pour les hydrogénations,

un programme de températures, généralement entre –20 et +150°C, occasionnellement à plus basse température (couramment jusqu’à –100°C) pour les réacteurs dits « cryogéniques », ou à plus haute température (couramment jusqu’à +300°C) pour distiller des produits lourds

Le réacteur est quelquefois construit et installé pour produire une molécule spécifique selon un chemin réactionnel précis.

Mais le réacteur est le plus souvent polyvalent pour produire à la demande des molécules diverses selon des cheminements réactionnels variés à l’intérieur des plages de pression et de température de l’appareil.

Le réacteur peut être équipé avec :

  • double enveloppe
  • coquilles
  • isolation
  • sa protection étanche
  • agitation,
  • hublot,
  • sonde de température
  • détection de niveau
  • brise lame
  • contre pâles
  • vanne de fond
  • soupape
  • boule de lavage

Le réacteur chimique est soumis lors de son utilisation à un inertage, à une régulation de pression, de vide, de température et à une soupape de sureté :

Inertage :

Le ciel du réacteur au dessus de la phase liquide réactive a pour composant essentiel un gaz inerte : l’azote. Eventuellement, selon les conditions de température et de pression, le ciel du réacteur peut contenir également la phase gazeuse des solvants présents dans le réacteur : Composés Organiques Volatils (COV).

Le but de l’inertage du ciel du réacteur est double :

Eviter la présence de l’oxygène atmosphérique qui pourrait induire une réaction parasite.

Eviter la présence de comburant dans une zone à risque permanent d’explosion. L’intérieur du réacteur est souvent classée zone 0 selon la norme ATEX.

Le réacteur est ainsi inerté par l’injection d’azote détendu, ou éventuellement sous pression.

Régulation de pression :

Dans la plupart des cas, une pression élevée dans le réacteur est obtenue par un chauffage des réactifs liquides conduisant à une évaporation des solvants dans un espace confiné.

Mais il peut être nécessaire, pour certaines opérations à basse température ou en l’absence de solvant organique, d’élever la pression par apport de gaz inerte.

En ce cas, la conduite d’inertage à l’azote est équipée d’une vanne de régulation asservie à une mesure de pression du ciel.

La pression du réacteur est également régulée pour les opérations liquide-gaz : c’est le cas de l’hydrogénateur et du phosgénateur.

Régulation de vide :

Le vide est obtenu dans un réacteur en raccordant celui-ci à un réseau de vide ou à une pompe à vide spécifique.

Il ne peut s’agir que d’un vide partiel, la pression dans le réacteur est forcément limitée par la ou les pressions partielles du ou des solvants contenus dans l’appareil.

En outre, si le vide est crée par une pompe à anneau liquide, le niveau de vide est également limité par la pression partielle de l’anneau liquide. C’est pourquoi il est important de refroidir l’anneau liquide à la température la plus basse possible.

Le vide dans le réacteur est régulé à l’aide d’une boucle de régulation impliquant une sonde de pression absolue dans le réacteur et une vanne de régulation sur la ligne de vide en amont de la pompe à vide.

Régulation de température :

Le milieu réactionnel est porté en température et sa température est régulée en faisant circuler un fluide dans la double enveloppe de l’appareil.

Les deux technologies de régulation utilisées sont celle de l’injection directe d’un fluide de service dans la double enveloppe et celle de la boucle dite « monofluide ». (cf. descriptif technique du module d’énergies).

Les technologies de construction pour la double enveloppe sont :

  • La double enveloppe pure, dans laquelle le fluide thermique circule selon un mode laminaire. Cette double enveloppe peut éventuellement être améliorée par l’addition d’une hélice ou de buses d’injection
  • Le « coquillage », classiquement réalisé par des demi-tubes soudés sur la virole et le fond ou plus récemment avec des profils plus élaborés. Le fluide thermique circule dans le coquillage selon un mode turbulent plus efficace en termes d’échanges thermiques.
  • Le « matelassage », la double peau étant soudée par lignes sur la tôle du réservoir et la double enveloppe formée par hydroformage sous pression. Cette technologique est impropre aux réacteurs et doit être réservée aux cuves sans performance thermique particulière ou pour un simple maintien en température.

Dans tous les cas, la surface d’échanges entre la double enveloppe et le procédé est forcément limitée par la surface de la virole et du fond du réacteur.

Pour améliorer l’efficacité thermique du réacteur, des surfaces d’échange additionnelles peuvent être ajoutées en utilisant des « bougies ».

Soupape de sûreté :

Le réacteur est dimensionné, construit et réceptionné en fonction d’une Pression Maximale de Service (PMS) défini par le programme d’utilisation.

Des organes de sûreté protègent le réacteur en cas d’utilisation accidentelle ou régulière à une pression supérieure à la Pression Maximale de Service : disque de rupture ou soupape de sûreté, voire les deux simultanément.

La soupape de sûreté est tarée pour la PMS, il s’agit d’une soupape tout ou rien qui doit être nettoyée et retarée après une ouverture.

Le disque de rupture est également conçu pour la PMS et doit, bien sûr, être remplacé après une rupture.

Ces organes de sûreté protégeant un appareil à pression soumis à la Directive Européenne DESP 97/23/CE sont également soumis à la même directive selon une catégorie égale ou supérieure à la catégorie de l’appareil.

Généralement les soupapes de sûreté sont ainsi agrées CE Catégorie IV pour répondre à tous les besoins.