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Réacteurs chimiques Ti452 - Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique

Réacteurs chimiques Ti452 - Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique Réf. Internet : 42330 | 2e édition PROCÉDÉS CHIMIE - BIO - AGRO Actualisation permanente sur www.techniques-ingenieur.fr III Techniques de l’Ingénieur La plus importante ressource documentaire scientiique Pour toute information, le service clientèle reste à votre disposition : Tél : 01 53 35 20 20 Fax : 01 53 26 79 18 Mail : infos.clients@teching.com Une information iable, claire et actualisée Validés par un comité scientiﬁque et mis à jour en permanence sur Internet, les articles Techniques de l’Ingénieur s’adressent à tous les ingénieurs et scientiﬁques, en poste ou en formation. Outil d’accompagnement de la formation et de la carrière des ingénieurs, les ressources documentaires Techniques de l’Ingénieur constituent le socle commun de connaissances des acteurs de la recherche et de l’industrie. 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Microréacteurs pour l’industrie par Joëlle AUBIN et Catherine XUEREB Les microréacteurs ouvrent des possibilités nouvelles pour les industries. Ils s’inscrivent dans une démarche de qualité, de sécurité, de créativité et d’in- tensification des procédés. À ce titre, ils constituent une des briques de l’usine du futur. Transformations chimiques ou physiques y sont mises en œuvre. Les phénomènes et principes de base sont décrits, ainsi que certaines initiatives industrielles, tout en pointant les limites d’application de ces technologies innovantes. Joëlle AUBIN est ingénieur en génie chimique de l’université de Sydney, docteur de l’INPT et de l’université de Sydney. Elle est chargée de recherche au CNRS. Catherine XUEREB est ingénieur de l’École nationale supérieure d’ingénieurs de génie chi- mique de Toulouse et docteur de l’INPT. Elle est directrice de recherche au CNRS. Toutes deux exercent au laboratoire de Génie chimique de Toulouse UMR 5503 INPT/CNRS/UPS. 1. Enjeux de la miniaturisation Miniaturiser n’est pas un acte naturel chez un ingé- nieur de procédé. Culturellement, la démarche consiste plutôt à partir de mécanismes, de transfor- mations, de réactions, qui sont obtenus à petite échelle – en général celle de la paillasse – puis de réa- liser une extrapolation, souvent en passant par des étapes sur pilotes, pour arriver à proposer une instal- lation industrielle de grande capacité. Pourtant, les enjeux de la miniaturisation sont nom- breux, et nous allons voir en quoi les spécificités des microréacteurs permettent d’ouvrir de nouvelles pers- pectives en termes de propriétés et de qualité des produits, de sécurité industrielle, d’efficacité, et de développement durable. 1.1 Caractéristiques d’un microréacteur Un microréacteur est un système fabriqué par des techniques de microfabrication, car ses dimensions caractéristiques le nécessitent. On fait référence, en général, à des largeurs ou diamètres allant de 1 à 1 000 mm. Les nombreuses micro-techniques disponi- bles aujourd’hui autorisent des géométries variées et complexes. La fabrication des unités est souvent encore réalisée de façon quasi-artisanale, ce qui per- met d’adapter exactement la géométrie à l’opération, et non l’inverse, ce qui est souvent le cas dans les pro- cédés classiques à macro-échelle. Les longueurs des appareils sont très variables, et sont conditionnées par le calcul du temps de séjour qui est nécessaire pour mener à bien l’opération. Il faut alors vérifier quel est le phénomène limitant qui conditionne le dimensionnement : mélange, transfert thermique, cinétique chimique… 1.2 Avantages liés à ses caractéristiques Des petites dimensions des canaux découlent les spécificités des microréacteurs. & La première caractéristique qui présente un intérêt, essentiellement en terme de sécurité, c’est le très faible volume de produit manipulé, le fonctionne- ment en continu autorisant néanmoins des capacités de traitement honorables. Ce mode de travail permet, par exemple, d’envisager la production à la demande et sur place de substances intermédiaires présentant un danger potentiel lors de leur stockage ou de leur transport. Fabriquées pour être à leur tour transfor- mées, il est envisageable de localiser leur production sur le site de leur consommation. Citons par exemple le phosgène, réactif bien connu pour ses nombreuses applications et sa dan- gerosité. En cas d’incident, les quantités mises en jeu sont très faibles. En contre-partie, les lieux où des incidents peu- vent se produire sont ainsi multipliés : une dissémi- nation du danger, mais avec une forte diminution du degré de dangerosité. & Les petites dimensions du microréacteur sont également exploitées pour la maîtrise qu’elles offrent sur la manipulation physique des produits. Les tailles de canaux sont de l’ordre de grandeur que l’on peut souhaiter pour des inclusions, de type bulles, gouttes ou solides. C’est ainsi que l’on fabrique des émulsions rigoureusement monodisperses, ou des polymères à surface contrôlée… INNOVATION 9 - 2008 © Editions T.I. IN 94 - 1 Ｙｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｉｎＹＴｐ｡ｲｵｴｩｯｮ＠Ｚ＠ｳ･ｰｴ･ｭ｢ｲ･＠ＲＰＰＸ INNOVATION IN 94 - 2 © Editions T.I. 9 - 2008 & Une propriété fondamentale du microréacteur est la valeur extrêmement élevée du rapport entre sa surface et son volume. À titre d’exemple, des canaux de section carrée de 100 mm ou 1 mm présen- tent, respectivement, un rapport surface/volume de 40 000 ou 4 000 m2/m3. Les phénomènes de paroi sont ainsi intensifiés ; en particulier, le transfert thermique est largement augmenté par rapport aux installations de taille classique, et le transfert de matière avec la paroi n’est plus négligeable. Cette propriété peut ainsi être utilisée pour des opé- rations de réaction catalytique par exemple, où la paroi constitue le support sur lequel le dépôt de cata- lyseur est réalisé. & Les débits de fluide qui sont associés aux micro- réacteurs se situent dans une gamme allant de 0,1 mL/h à quelques L/h pour les canaux dont les dimensions se situent autour du millimètre. Ceci permet d’envisager des applications, qui vont de la manipulation d’échantillons pour analyse par exem- ple, jusqu’à de la production industrielle de faible tonnage. Ces débits sont associés à des vitesses d’écoulement lentes, voire très lentes, selon le diamètre hydraulique de l’appareil. Dans les plus petits canaux où le diamètre hydrau- lique est de l’ordre d’une dizaine de microns, le fluide peut progresser à moins de 1 mm/s, tandis que l’ordre de grandeur est d’une dizaine de cm/s dans les canaux autour du millimètre. Ces caractéristiques entraînent un régime d’écoulement de type laminaire, que l’on travaille avec des gaz ou des liquides. Du fait de l’absence de turbulence dans l’écoulement, on est souvent amené à concevoir le réacteur de telle façon que la géométrie génère des perturbations qui sup- pléent la turbulence en promouvant le mélange. Dans certaines applications au contraire (par exem- ple en électrochimie), on pourra tirer avantage du non-mélange des courants juxtaposés sous la forme de filaments ou de lamelles. & Les microréacteurs sont également utilisés pour les faibles temps caractéristiques qu’ils présentent. Comme nous le verrons dans le § 3, la manipulation de faibles quantités de fluide dans des géométries structurées permet un temps de mélange très court, malgré le caractère laminaire de l’écoulement. Dans ce cas, la dispersion axiale est limitée, et on peut donc piloter bien mieux qu’à macro-échelle le temps de contact entre les réactifs. Ceci permet, avec un contrôle d’excellente qualité de la température, d’aug- menter la sélectivité de nombreuses réactions, lorsque des sous-produits apparaissent via des méca- nismes de réactions consécutive-compétitive par exemple, ou dans le cas de réactions parallèles aux cinétiques différenciées. Des améliorations du rendement sont également attendues, dans la mesure où le contrôle de la tempé- rature, uploads/s1/ extrait 20 .pdf