Étude du micro-mélange pour la caractérisation des performances d’échangeurs réacteurs compacts multifonctionnels

Résumé :
Ce travail a pour objectif la caractérisation des différents paramètres nécessaires à l’optimisation et au dimensionnement d’un échangeur-réacteur compact multifonctionnel et l’élaboration d’une méthodologie pour le dimensionnement de ce dernier.

Ce type de procédé, qui combine à la fois l’aspect échange thermique et l’aspect réaction chimique, constitue une rupture techno logique. Ainsi, certains procédés qui sont actuellement réalisés en discontinu pourraient être réalisés en continu. L’utilisation d’un échangeur non plus en tant qu’auxiliaire statique, mais en tant que réacteur chimique à part entière constitue une évolution importante vers une nouvelle approche des procédés chimiques. En effet, disposer en un même lieu de capacités de mélange et de transfert de chaleur donne lieu à un meilleur rendement du procédé et une qualité améliorée du produit final ainsi qu’une sécurité accrue du site.

Afin de répondre aux contraintes de fonctionnement, il est nécessaire d'avoir une connaissance précise des phénomènes régissant les transferts de matière et de chaleur. Ces connaissances doivent permettre d'établir des critères pour la sélection de la géométrie de base du canal. Les structures étudiées sont proches de celles utilisées dans les échangeurs compacts de par leurs bonnes caractéristiques thermique et hydraulique (ailettes à pas décalé et mousses métalliques).

Par conséquent, une étude thermo-hydrodynamique ainsi qu’une étude du micro-mélange généré par les géométries étudiées, basée sur une méthode physico-chimique, ont été réalisées afin de comparer les performances de transfert de matière et de chaleur des géométries envisagées.

De plus, une simulation de l’écoulement au sein du procédé basé sur un modèle phénoménologique de mélangeurs en cascade a été validée par l’étude de deux réactions exothermiques sur un prototype d’échangeur-réacteur.

Enfin, la base de données établie lors des études thermo-hydrodynamique et de micromélange et l’utilisation de la modélisation a permis d’élaborer une méthodologie pour le dimensionnement et la conception d’un échangeur-réacteur compact multifonctionnel.