Reactor Design

A la fin de cette unité d’enseignement, l’étudiant est capable de :

Contribution du cours au référentiel du programme

Faisant référence aux acquis d'apprentissage du diplôme KIMA, les AAs suivants sont visés:

• Axe 1: 1.1, 1.2, 1.3;
• Axe 2: 2.2, 2.4, 2.5;
• Axe 3: 3.2;
• Axe 4: 4.1, 4.4;
• Axe 5: 5.3, 5.5, 5.6;
• Axe 6: 6.1, 6.3.

Acquis d'apprentissage spécifiques au cours

(Il est fait référence aux chapitres et sections du livre de référence qui est utilisé-voir ci-dessous).

Chapitre 7: La modélisation des réacteurs chimiques

Après avoir réussice cours, l'étudiant sera capable de:

• Décrire les différents aspects des bilans de masse, de chaleur et de quantité de mouvement
• Dériver les équationsde continuitéfondamentalesdes espèces et del'énergie, tant dans la forme générale que dans des formes simplifiées pour des cas spécifiques

Chapitre 8:Les réacteursbatch etsemi-batch

Après avoir réussice cours, l'étudiant sera capable de:

• Dériver les équationsde continuitépour les réacteursbatch isothermes etnon isothermes
• Utiliser leséquations de continuitépour les réacteursbatch isothermes etnon isothermesafin de simuler ou concevoir un réacteur
• Expliquer les différentes stratégies d¿opération optimale et de contrôle

Chapitre 9: Leréacteur à écoulement piston
Après avoir réussice cours, l'étudiant sera capable de:

• Dériver les équationsde continuité pour les réacteurs à écoulement pistonadiabatiques etnon adiabatiquesainsi que isothermes etnon isothermes
• Utiliser leséquations de continuitépour les réacteurs àécoulement pistonafin de simuler ou concevoir un réacteur

Chapitre 10: Le réacteur parfaitement mélangé

Après avoir réussice cours, l'étudiant sera capable de:

• Dériver les bilans de masse et d'énergiepour un réacteur parfaitement mélangé
• Utiliser les bilans de masse et d¿énergie pour la simulation et la conception d¿un réacteur
• Faire un choix entre un réacteur à écoulement piston et un réacteur parfaitement mélangé pour une application donnée sur base de différents critères (conversion,sélectivité, chaleur de réaction,etc.)
• Analyser la stabilité d'un réacteur parfaitement mélangé et étudier le comportement transitoire éventuel

Chapitre 11: Réacteurs catalytique à lit fixe

PREMIÈRE PARTIE : INTRODUCTION
Après avoir réussi ce cours, l'étudiant sera capable de:

• Décrire les différents types de réacteurs à lit fixe
• Décrire certaines des applications importantes des réacteurs à lit fixe
• Décrire et appliquer les différents facteurs impliqués dans la conception préliminaire des réacteurs à lit fixe
• Décrire les différents types de modèles qui sont utilisés pour la simulation et la conception des réacteurs à lit fixe ainsi que les hypothèses liées à ces modèles

DEUXIEME PARTIE : MODÈLES PSEUDOHOMOGENES
Après avoir réussi ce cours, l'étudiant sera capable de:

• Dériver le modèle de base unidimensionnel pour les réacteurs à lit fixe
• Appliquer le modèle de base unidimensionnel pour la simulation et la conception des réacteurs à lit fixe
• Décrire l¿emballement d¿une réaction dans un réacteur à lit fixe
• Expliquer l'utilisation d'un réacteur adiabatique multi-lits et la manière de calculer le nombre de lits requis (y compris la méthode graphique) et leur taille
• Expliquer l'utilisation d'un réacteur multitubulaire et la façon de calculer sa taille, le nombre de tubes, et la température du fluide pour l'échangeur de chaleur
• Dériver les équations du modèle pour le cas d'un réacteur à lit fixe avec échange de chaleur entre la charge et l'effluent ou entre la charge et le gaz se trouvant dans le réacteur
• Décrire une opération auto-thermique
• Décrire le phénomène de désactivation du catalyseur et le comportement non-stationnaire des réacteurs à lit fixe qui y est lié
• Expliquer l'utilisation d'un modèle unidimensionnel avec mélange axial et dériver les équations du modèle
• Expliquer l'utilisation de modèles bidimensionnels pseudo-homogènes pour les réacteurs à lit fixe

TROISIÈME PARTIE : MODELES HETEROGENES

Après avoir réussi ce cours, l'étudiant sera capable de:

• Établir le modèle unidimensionnel pour les réacteurs à lit fixe qui prend en compte les gradients inter-faciaux et appliquer ce modèle pour la simulation et la conception d¿un réacteur
• Établir le modèle unidimensionnel pour les réacteurs à lit fixe qui prend en compte les gradients inter-faciaux et intra-particulaires et appliquer ce modèle pour la simulation et la conception d'un réacteur

Chapitre 12: Modelisation des écoulements complexes
Après avoir réussi ce cours, l'étudiant sera capable de:

• Expliquer le macro- et micro-mélange dans les réacteurs
• Expliquer qualitativement les différents types de modèles qui prennent explicitement en compte le mélange
• Expliquer le concept, le potentiel et les limites de la méthode de distribution de temps de séjour (Residence Time Distribution - RTD)
• Calculer la RTD d'un réacteur parfaitement mélangé
• Déterminer expérimentalement la RTD d'un réacteur
• Tirer des informations sur l'écoulement à partir de mesures de la RTD
• Calculer la RTD pour une série de n réacteurs parfaitement mélangés
• Appliquer la RTD à la simulation et la conception de réacteurs, avec application directe pour

·         Réaction(s) de premier ordre dans des réacteurs isothermes parfaitement mélangés,  à écoulement piston ou comprenant une série de cuves parfaitement mélangées

·         Réaction bi-moléculaire de second ordre dans un réacteur isotherme parfaitement mélangé et dans une succession de réacteurs isothermes à écoulement piston et parfaitement mélangés: différence entre complètement macro-mélangés vs complètement macro-et micro-mélangés

• Décrire le concept de modèles multi-zones
• Décrire le concept de dispersion axiale et les modèles de réacteurs en série ainsi que d'en tirer et d¿appliquer les équations de continuité

Chapitre 13: Les réacteurs à lit fluidisé et risers

Après avoir réussi ce cours, l'étudiant sera capable de:

• Décrire les aspects technologiques des réacteurs à lit fluidisé et des risers
• Décrire les applications les plus importantes des réacteurs à lit fluidisé
• Décrire les caractéristiques importantes de la fluidisation et du transport de matière solide
• Définir et modéliser le transfert de chaleur dans les lits fluidisés
• Établir un modèle bi-phasique pour les réacteurs à lit fluidisé
• Établir le modèle basique pour un riser
• Appliquer les modèles pour les réacteurs à lit fluidisé et pour les risers pour la simulation et la conception d¿un réacteur

Chapitre 14:Les réacteurs à écoulementspoly-phasiques
Après avoir réussice cours, l'étudiant sera capable de:

• Décrire les différents types de réacteurs à écoulements multiphasiques:

·         Colonnes à garnissage

·         Colonnes plates

·         Colonnes vides

·         Réacteurs agités

·         Etc¿

• Décrire(y compris leurs hypothèses), dériver et appliquer les modèles de conception les plus fréquemment utilisés pour les réacteurs à écoulements multiphasiques:

·         Phases gazeuse et liquidecomplètement mélangées

·         Phase gazeuse et liquide en écoulements piston

·         Phase gazeuse en écoulement piston, phase liquide complètement mélangée

a.        Autre / Transversal

Après avoir réussi ce cours, l'étudiant sera capable de:

• Rechercher des informations scientifiques et techniques dans un livre.
• Rapporter une étude technique d'une manière scientifique et concise (mini-projet «reformage à la vapeur du méthane: simulation du réacteur et étude de sensibilité»).
• Travailler en petits groupes.
• Etre critique et poser des questions.
• Vérifier les unités des différentes variables et des termes qui apparaissent dans les équations mathématiques.
• Utiliser un corpus de connaissances en sciences fondamentales et polytechniques, permettant de résoudre des problématiques disciplinaires cadrées
• Analyser, organiser et mener à son terme une démarche d'ingénierie appliquée au développement d'un procédé répondant à un besoin ou à une problématique cadrée, à l'analyse d'un phénomène physique donné ou un système.
• Contribuer, en équipe, à la réalisation d'un projet disciplinaire ou pluridisciplinaire en respectant une approche cadrée.
• Communiquer efficacement oralement et par écrit, en français et en anglais, les résultats des missions qui lui sont confiées.
• Faire preuve de rigueur et d'esprit critique dans ses démarches scientifiques et techniques en se souciant de l'éthique.