2. 7. Échangeurs de chaleur et réacteurs
De nombreuses applications industrielles des processus de transfert de chaleur concernent par
ailleurs le maintien en température d’un réacteur. Il s’agira par exemple de limiter l’augmentation
de température d’un réacteur siège d’une réaction exothermique, ou bien d’assurer le
préchauffage de réactifs avant le démarrage d’une réaction.
Ceci est assuré dans de nombreux cas par l’adjonction d’une double enveloppe autour du réacteur
(figure 13). Selon les quantités de chaleur à évacuer, l’écart de température maximal acceptable
et le budget alloué à l’opération, on utilisera (par investissement croissant) des doubles
enveloppes simples (type réacteurs de laboratoire) des doubles enveloppes à buses, ou encore
des serpentins extérieurs, types demi-coques. Le transfert de chaleur dépendra bien
évidemment des températures et conditions hydrodynamiques dans la double enveloppe, mais
aussi de l’agitation au sein du réacteur.
Le dimensionnement des réacteurs à double enveloppe sera présenté dans le chapitre IIe.
Figure 13 : Réacteurs doubles enveloppe simples :
Les serpentins internes permettent aussi le maintien en température des réacteurs. Un fluide
frigo- ou calo-porteur circule dans le serpentin, qui échange directement de la chaleur avec le
milieu réactionnel. Le serpentin améliore de plus l’hydrodynamique interne du réacteur, ce qui
favorise bien évidemment le transfert de chaleur. Les limitations concernent ici l’encrassement
ou les difficultés de nettoyage de l’installation (notamment entre les spires) ce qui, en atelier
polyvalent, présente un risque élevé de contamination croisée.
Le dimensionnement d’un serpentin interne fera appel aux notions présentées chapitre 3,
alors que le transfert de chaleur côté milieu réactionnel est présenté chapitre 2e.
Figure 14 : Réacteur avec serpentin interne (serpentin hélicoïdal) :
Enfin, il est par ailleurs possible, toujours afin de maintenir en température un réacteur agité,
d’utiliser un échangeur externe, placé sur une boucle de recirculation. On pourra alors bien
évidemment choisir n’importe quel type d’échangeur, même si les échangeurs à plaques sont les
plus fréquemment utilisés pour des raisons de compacité. Les difficultés concernent ici
l’éventuelle fragilité (ou les risques de détérioration lors du passage dans la pompe) du produit
présent dans l’échangeur.
Figure 15: Réacteurs avec échangeur externe sur une boucle de recirculation :
REMARQUE
Les 3 figures ci-dessus présentent le cas d’un réacteur exothermique maintenu en température
(refroidi) par: une double enveloppe, un serpentin, un échangeur.
On peut évidemment envisager l’opération inverse.