Un réacteur hybride existe encore, le réacteur semi-fermé ou "fed-batch", qui se situe entre le réacteur fermé et le réacteur ouvert. Ces réacteurs sont appelés aussi réacteurs idéaux, car ils servent de modèle de base pour le design de procédés chimiques. Ils sont définis par un certain nombres d'hypothèses qui facilitent la modélisation du procédé.
Réacteur continu
Les hypothèses liées au modèle du réacteur continu (en anglais CSTR: continuous stirred tank reactor) sont les suivantes:
concentrations et température du flux de sortie sont les mêmes que celles dans le réacteur
Il satisfait au bilan suivant: ENTREE + SOURCE + PUITS = SORTIE
Un tel bilan est dit stationnaire (propriété du réacteur continu après sa phase de démarrage), c.-à-d. que la température ainsi que les concentrations des composants du milieu ne changent pas avec le temps. Mathématiquement cela donne
Avantages: Peu de variation dans la qualité d'un produit sur une longue période de temps. Haute performance. Bon pour des études cinétiques. Travaille à des faibles concentrations de réactifs (meilleure sécurité, meilleure conversion pour des ordres de réactions inférieurs à 1 ou en cas d'inhibition par le substrat).
Désavantages: Moins bonne convertion pour des ordres de réactions supérieurs à 1 ou en cas d'inhibition par le produit. Nécessite un excellent contrôle des flux (entrée et sortie). Ne permet pas des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires.
Réacteur discontinu
Les hypothèses liées au modèle du réacteur discontinu (en anglais "batch") sont les suivantes:
volume constant (débit d'entrée = débit de sortie = 0)
Il satisfait au bilan suivant: SOURCE + PUITS = ACCUMULATION
Un tel bilan est dit transitoire, c.-à-d. que les concentrations des composants du milieu changent avec le temps. La température peut rester constante (réacteur isotherme) ou non. Mathématiquement cela donne
Avantages: Installation simple et offrant une très grande polyvalence. Permet des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires (notamment changement de la temperature).
Désavantages: Travaille à des concentrations de réactifs élevées au début de la réaction (problème de sécurité, moins bonne convertion en cas d'inhibition par le substrat). Nécessite un temps mort entre chaque opération (vidange, nettoyage, remplissage) qui nuit à la performance.
Réacteur à écoulement piston
Les hypothèses liées au modèle du réacteur piston (en anglais PFTR: Plug Flow Tubular Reactor) sont les suivantes:
le mélange radial est considéré comme parfait
l'écoulement est de type piston
la densité constante
pas de mélange axial
Il satisfait au bilan suivant: ENTREE + SOURCE + PUITS = SORTIE
Le réacteur est considéré à l'état stationnaire, mais possède un profil de température et de concentration en fonction de son axe. On considère non pas le réacteur dans sa totalité, mais on le divise en fine tranche (rondelle ou tranche de salami ;-), ce qui permet d'écrire
bilan de matière:
pour une tranche d'épaisseur dL et de volume dV
bilan d'énergie:
Avantages: Peu de variation dans la qualité d'un produit sur une longue période de temps. Haute performance.
Désavantages: Nécessite un excellent contrôle des flux (entrée et sortie).
Réacteur à lit fixe
Le réacteur à lit fixe est un type de réacteur à écoulement piston. Il est principalement utilisé pour des réactions catalytiques hétérogènes en phase gazeuse: la réaction a lieu à la surface d'un catalyseur solide, les réactifs et les produits étant des gaz. Le catalyseur est déposé à la surface de supports inertes (grilles métalliques ou éléments en silice) qui forment une structure fixe (lit fixe) placé dans le réacteur. Les réactifs circulent dans le réacteur autour des éléments du lit (voire dans les éléments du lit si ce dernier est constitué d'éléments poreux) et réagissent à la surface de ce dernier avec le catalyseur.
Réacteur semi-continu
Le réacteur semi-continu (fed-batch en anglais) est très semblable au réacteur discontinu. Le principal changement provient du fait que le volume change durant la réaction. Les principales hypothèses du modèle sont ainsi
mélange homogène au niveau moléculaire
température homogène du milieu
Il satisfait au bilan suivant: ACCUMULATION = ENTREE + SOURCE + PUITS
- Bilan de matière:
- Bilan d'énergie (3 possibilités):
mode polytropique:
mode isotherme:
mode adiabatique:
- Bilan de volume:
Avantages: Permet un contrôle de la concentration (meilleure sécurité). Permet des réactions nécessitant des variations des conditions opératoires (notamment changement de la concentration des réactifs). Meilleure convertion en cas d'inhibition par le substrat. Permet d'atteindre de très hautes densités cellulaires en biotechnologie.
Désavantages: Nécessite un excellent contrôle du flux d'entrée (danger d'accumulation des réactifs). Nécessite un temps mort entre chaque opération (vidange, nettoyage, remplissage) qui nuit à la performance.
