ECHANGEURS / RÉACTEURS MILLI-STRUCTURÉS · Empilement de plaques Maquette finale (L=3.4m)...

DU BATCH AU CONTINUECHANGEURS / RÉACTEURS MILLI-STRUCTURÉS

Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle

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CONTEXTE


Limitations transferts thermiques en batch

Synthèses chimiques dépendent de la

température

Transposition du batch aux réacteurs pistons continus :• Procédé continu• Intensification des transferts

massiques et thermiques

Echangeurs / réacteurs

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• Intensification des transferts thermiques et massiquesavec suffisamment de temps de séjour

• Augmentation rendement et sélectivité (contrôle de T)• Procédé plus sûr• Procédé plus propre• Polyvalence de l’échangeur/réacteur• Compacité de l’échangeur/réacteur• Flexibilité• Procédé peu cher et économe en énergie

OBJECTIFS


DU BATCH AU CONTINU

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• Cahier des charges :

� Réaction exothermique en phase homogène

� Elévation adiabatique de température = 90°C

� Temps de séjour = qq min

� Réacteur isotherme : ∆Tmax = 10°C

��∙�

�� 580kW ∙ �� ∙ ��

� Echelle labo : ~ 10 kg.h-1

� Cible de production : ~ 4000 kg.h-1

� Estimation du coût maximal équivalent au procédé batch � des

réactifs au bâtiment

VERS DES ÉCHANGEURS/RÉACTEURS COMPÉTITIFS


PROJET RAPIC

| 5Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle

PROJET RAPIC

Reaction

Cooling

Reaction

Cooling

Cooling

Réaction d’oxydation(∆Hr = -586,2 kJ/mol)

Réacteur semi-batch :Température = 10°CConditions sûres �coulée =20min

Echangeur/réacteur :Température = 50°C (cinétique ++) Temps de séjour de 7 à 20 secondesConversions entre 60 et 100%

VERS DES ÉCHANGEURS/RÉACTEURS COMPÉTITIFS

Assemblage par soudage-diffusion


Vers des échangeurs / réacteurs compétitifs

Ailettes

Usinage et matériaux procédé

MO

Matériaux procédé

Matériaux utilitéMO

CIC et usinage

PROJET RAPIC

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• Fluides très visqueux � régime laminaire• Comment intensifier les transferts ?


FLUIDES VISQUEUX

Advection chaotique


FLUIDES VISQUEUX

TC

TC

TC

Fluide procédé

Canal procédé : 3x3mm 2

Empilement de plaques

Maquette finale (L=3.4m)

Maquette acier inoxydable

91 m

m

188 mm


FLUIDES VISQUEUX

COMPARAISON ÉNERGÉTIQUE

• Même ordre de grandeur pour les faibles puissances de pompage (ie Re<50)• Meilleur mélange dans les réacteurs 3D (++)

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RÉACTION CATALYTIQUE EXOTHERMIQUE (hydrogénation du CO2)MANAGEMENT THERMIQUE DE LA RÉACTION (THERMODYNAMIQU E ET CINÉTIQUE)


ECOULEMENTS GAZ

� Echangeur / réacteur milli-structuréCanaux procédés ~cm / canaux de refroidissement ~mm

� Catalyseur poudre (lit fixe)� Concept modulaire (scale up par numbering up)� Compact� Flexible

L : 25 cm

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RÉACTION CATALYTIQUE EXOTHERMIQUE (hydrogénation du CO2)DESIGN DES CANAUX POUR MANAGEMENT THERMIQUE OPTIMAL


ECOULEMENTS GAZ

Zone d’emballement thermique

Zone de T contrôlée

T refroidissement°C

T c

atal

yseu

r°C

Reactive channel size

Simulation COMSOLDessin CAO

Assemblage soudage-diffusion

Optimisation

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APPLICATION DIPHASIQUE


POLYSAFE � VERSATILITÉ

• Réaction entre un composé silicone et de l’eau

� Réaction rapide

� Réaction exothermique

� Limitée par le transfert de matière dans les réacteurs utilisés

industriellement

• Réaction importante pour Bluestar Silicones (plusieurs dizaines de kT/an)

• Cas industriel se prêtant parfaitement à l’intensification des procédés

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• Intensification transferts thermique et massique• Pas de limitations de transfert massique dans

l’échangeur/réacteur (treaction~30s)• Régime chimique � Augmentation de T pour

accélérer la cinétique.

UA/V(kW.m-3.K-1)

Temps de mélange

(s)

Réacteur batch industriel

1 to 100 140

Echangeur / réacteur 2500 to 4500 0,2 to 1,7Con

vers

ion

Temps de séjour (s)

Sortie produits

Instrumentation/ prélèvements

Entrée réactif 1

Entrées réactifs 2

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CONTRÔLE DE LA TEMPÉRATURE

Caractérisation thermique


POLYSAFE

Tem

péra

ture

(°C

)

Position le long du canal procédé (m)

1ère plaque 2ème plaque 3ème plaque

Consigne température utilité

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CONTRÔLE DE LA TEMPÉRATURE


POLYSAFE

Tem

péra

ture

(°C

)

Position le long du canal procédé (m)

1ère plaque 2ème plaque 3ème plaque 4ème plaque

Température procédéTempérature utilité

• Réaction exothermique

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• Pilotage sur diverses chimies BSI

� Intérêt fort pour limitation des réactions secondaires

• Etre en limitation chimique � facilité d’extrapolation

• Réacteur compact � volume limité de produit engagé

• Etudes sécurité dans le cadre de POLYSAFE � aide pour l’industrialisation

Merci pour votre attention

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