Réacteur à phase liquide : Inversion du saccharose

Les réactions chimiques sont effectuées dans différents types de réacteurs à l’aide de catalyseurs afin d’augmenter la vitesse de réaction et d’améliorer la conversion. La vitesse de réaction dépend de la température, elle est donc fortement influencée par le transfert de chaleur. De plus, la vitesse de réaction est affectée par le transfert de masse, car une réaction ne peut pas avoir lieu plus rapidement que la vitesse à laquelle les réactifs sont fournis à la surface du catalyseur. Par conséquent, les réacteurs à lit garni sont souvent préférés aux réacteurs discontinus, car un transfert de chaleur rapide est plus réalisable. Dans cette vidéo, la cinétique d’une réaction simple dans un réacteur à lit garni est analysée. Le réacteur fonctionne dans des conditions différentes afin de déterminer l’ordre réel de la réaction et une constante de vitesse parente, car la cinétique des systèmes réels s’écarte souvent de ce qui est attendu.

Les réacteurs à lit garni peuvent être modélisés comme une série de nombreux CSTR de taille égale dont le volume total et le poids du catalyseur correspondent à ceux du réacteur à lit garni. Ce modèle est appelé modèle des chars en série et est donné par cette équation. Ici, i est le numéro du réacteur, CA0 est la concentration alimentaire du réactif limitant, et delta FAI est la variation de la conversion fractionnelle du réactif limitant. Enfin, RAI est le taux de réaction, N est le nombre de chars nécessaires et Tao est le temps de résidence. La vitesse directe d’une réaction catalytique est presque toujours de premier ordre par rapport à la concentration du catalyseur et d’ordre positif inférieur à deux par rapport à la concentration du réactif. Cependant, l’inhibition du catalyseur peut modifier l’ordre de réaction, ce qui fait que l’ordre de réaction semble inférieur à ce qu’il est réellement. Même les réactifs peuvent inhiber le catalyseur, ce qui fait que l’ordre de réaction apparaît proche de zéro. Pour ces raisons, les réactions catalytiques sont décrites par le modèle de la loi de puissance où K prime est la constante de vitesse apparente, CA est la concentration du réactif limitant et bêta est l’ordre de réaction apparent. Le modèle présuppose que la concentration du catalyseur est constante. Cependant, dans la pratique, les catalyseurs se désactivent. Ainsi, la concentration du catalyseur doit être modélisée en fonction du temps. Dans la démonstration suivante, la cinétique d’une réaction typique avec un catalyseur solide et des réactifs et produits en phase liquide est démontrée. La réaction implique la décomposition du saccharose en glucose et en fructose, appelée inversion du saccharose. La réaction est généralement de premier ordre par rapport au saccharose et par rapport aux sites catalytiques. La constante de vitesse est affectée par le transfert de chaleur et de masse, la distribution du débit, la température et l’activation du catalyseur. Ainsi, la constante de vitesse est déterminée expérimentalement pour le système spécifique. Maintenant que nous avons discuté du modèle des réservoirs en série et de la façon de déduire la cinétique de réaction, jetons un coup d’œil à la procédure elle-même.

Avant de commencer, familiarisez-vous avec l’appareil. Sélectionnez Perm dans l’élément d’unité du menu pour accéder au schéma du perméamètre. Dans cette expérience, l’unité est commandée à l’aide d’un système de contrôle distribué. Seuls le lit numéro un, le réservoir de matières organiques, la pompe et le régulateur de température T505 sont utilisés. En sélectionnant Tendance 50, toutes les données, les variables de processus clés relatives au temps peuvent être obtenues et rassemblées dans une feuille de calcul. Maintenant, ouvrez les vannes d’entrée et de sortie du lit numéro un du réacteur catalytique. Assurez-vous que les valeurs d’entrée et de sortie vers les autres lits sont fermées ainsi que la vanne de régulation F531 et la vanne marche/arrêt D531 sur l’alimentation en eau de la ville.

Ajoutez de l’acide dilué dans le réservoir de deux litres. Allumez la pompe d’alimentation à une vitesse constante et réglez le rotamètre pour obtenir un débit souhaité de 40 à 70 millilitres par minute. Augmentez la vitesse de la pompe d’alimentation si le rotamètre ne peut pas atteindre cette plage de débit. Donnez l’acide, puis environ 200 millilitres d’eau déminéralisée pour régénérer le catalyseur en échangeant les cations tels que le sodium ou le calcium qui interagissent avec les anions de l’acide sulfonique. Ensuite, préparez la solution d’alimentation au saccharose et ajoutez un litre dans le réservoir de matières organiques. Allumez la pompe. Utilisez le régulateur de vitesse de la pompe et le rotamètre pour ajuster le débit de vitesse comme vous le souhaitez. Réglez le régulateur de température T505 sur auto et sélectionnez un point de consigne de 50 degrés Celsius. Lorsque le système a atteint 50 degrés, déplacez le point de consigne à la température finale de 60 degrés où la réaction est généralement effectuée.

Tout d’abord, utilisez un tube à essai pour recueillir au moins 25 millilitres de l’aliment initial afin d’avoir un échantillon de saccharose avant le début de la réaction. Attendez ensuite que deux temps de séjour se soient écoulés et prélevez deux séries d’échantillons de 25 millilitres au drain à 10 minutes d’intervalle. Ces échantillons seront analysés à l’aide d’un polarimètre. Pour commencer l’arrêt du réacteur, réglez T505 sur une sortie nulle. Une fois que la température commence à baisser, arrêtez le réacteur, puis fermez les vannes d’arrêt sur le premier lit. Utilisez maintenant un polarimètre pour analyser les échantillons. Un polarimètre est utilisé parce que les glucides sont des énantiomères et font pivoter la lumière polarisée dans une certaine mesure. Le saccharose fait tourner la lumière vers la droite tandis que la solution de glucose et de fructose la fera tourner vers la gauche, ce qui donne des valeurs négatives. Allumez la lampe au sodium et attendez qu’une lumière jaune s’affiche. Un champ sombre uniforme est visible en position zéro du cadran. Transférez 25 millilitres de l’échantillon de réaction dans le tube et placez-le dans le polarimètre avec la poire près de l’oculaire vers le haut, puis fermez le couvercle. Des franges sombres et claires peuvent être observées à travers la lentille si l’échantillon de réaction tourne en lumière polarisée. Tournez le cadran jusqu’à ce que les franges disparaissent et révèlent un champ sombre uniforme. Ajustez la mise au point avec le cadran noir et à l’aide de l’échelle de vernier, lisez l’angle de rotation à la loupe pour déterminer la conversion de fraction de saccharose.

Voyons maintenant la détermination de la constante de vitesse à l’aide de la conversion fractionnée du saccharose dans un réacteur à lit garni. La rotation spécifique D de chaque sucre peut être trouvée dans la littérature et est corrélée à la rotation mesurée et à la concentration. La concentration est ensuite utilisée pour déterminer la conversion fractionnelle. Ces données sont présentées ici, tracées en fonction du degré de rotation. Plus la concentration de saccharose est élevée, plus le degré de rotation positif est élevé. Au fur et à mesure que la réaction progresse et que le saccharose est converti en glucose et en fructose, le degré positif de rotation diminue. Jetons maintenant un coup d’œil à la cinétique de réaction de l’inversion du saccharose à 60 degrés Celsius. Calculez la pseudo constante de premier ordre K prime pour chaque concentration d’alimentation, ce qui ignore les dépendants du premier ordre du catalyseur. Ensuite, tenez compte de la dépendance du catalyseur du premier ordre en divisant la constante de taux du pseudo premier ordre par la concentration du catalyseur pour obtenir la constante de taux du second ordre K deux. Pour déterminer l’ordre de réaction réel pour les données acquises, commençons par le bilan molaire généralisé du réacteur à lit garni par rapport au poids du catalyseur W. Déterminez ensuite les équations pour chaque ordre de réaction. Ajustez ces équations aux données à l’aide d’une régression non linéaire et déterminez la somme des erreurs quadratiques pour évaluer l’ajustement. Ajustez maintenant les données au modèle de réservoirs en série pour la réaction de premier ordre et déterminez le nombre de réservoirs nécessaires. Un petit nombre de réservoirs est calculé, ce qui suggère que la réaction s’écarte du comportement idéal d’un réacteur à lit garni. Cela est probablement attribué au mélange axial et aux fluctuations de température à l’intérieur du réacteur. Enfin, nous pouvons comparer le comportement réactionnel de différents ordres cinétiques, y compris les modèles de réacteurs à lit garni de premier et de deuxième ordre avec les modèles de réservoirs en série de premier et de deuxième ordre composés de deux réservoirs. Il est clair que la conversion fractionnée pour le modèle de réacteur à lit garni de premier ordre représente plus fidèlement le comportement observé tel qu’il correspond au point de données connu pour 15 % en poids de saccharose.

Les catalyseurs solides sont utilisés dans un large éventail d’applications et de configurations de réacteurs, car ils constituent l’un des domaines les plus importants de la technologie moderne. Un réacteur à lit fluidisé utilise un catalyseur solide en suspension dans un fluide. Le fluide, généralement gazeux ou liquide, passe à travers des particules de catalyseur solides à des vitesses suffisamment élevées pour les suspendre et les faire se comporter comme un fluide. Ces types de réacteurs peuvent être utilisés pour de nombreuses applications différentes, dont la pyrolyse de la biomasse lignocellulosique. Dans ce processus, la décomposition thermique de la biomasse se produit, ce qui donne des huiles biologiques oxygénées. Les performances du catalyseur varient en fonction des conditions de fonctionnement, qui peuvent être mesurées à l’aide d’une réaction programmée en température. Une réaction programmée en fonction de la température implique l’augmentation constante de la température de réaction avec la surveillance continue des effluents du réacteur. Les performances sont ensuite corrélées à la température, ce qui permet de déterminer la température de fonctionnement optimale.

Vous venez d’assister à l’introduction de Jupiter aux réacteurs à lit bondé pour les réactions catalytiques. Vous devriez maintenant comprendre comment analyser la cinétique de la réaction et comment modéliser le comportement à l’aide du modèle des chars en série. Merci d’avoir regardé.