L'invention est relative à un réacteur pour une réaction de synthèse hétérogène. Dans ce réacteur : - l'enveloppe formant la cartouche (CU) est pratiquement indépendante des paniers catalytiques (L1,L2,L3) ; - au moins un premier panier d'extrémité (L1) repose sur un panier intermédiaire (L2) qui à son tour repose sur une couronne de garnissage (52CU) solidaire de ladite enveloppé à cartouche (CU) ; la base de ces deux paniers raccordés ensemble étant incurvée dans le sens contraire de la courbure de la base du réacteur ; - dans ledit premier lit d'extrémité (L1), un collecteur (C01) est placé entre la paroi externe du panier et la face interne de l'enveloppe de la cartouche ; - dans ledit lit intermédiaire (L2), un collecteur de gaz de traitement (C02) est placé à l'intérieur de la paroi cylindrique interne formant le panier ; et - un échangeur de chaleur gaz/gaz (Ex) est placé dans un emplacement central à l'intérieur de la paroi cylindrique d'au moins le panier catalyseur le plus proche de la sortie du réacteur pour le gaz chaud ayant réagi.