Apport des mousses métalliques en réacteur continu intensifié

par Mouna Abbana Bennani

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Christophe Gourdon.

Soutenue en 2008

à Toulouse, INPT .

mots clés

• Mousses métalliques
• Réacteurs chimiques

Résumé

En chimie fine ou de spécialités, la majorité des productions s'organisent autour du réacteur discontinu. Cet appareil qui permet de répondre à des exigences de polyvalence et de flexibilité présente toutefois des performances limitées en terme de transfert thermique. Ainsi, dans le cas de synthèses exothermiques, cela conduit à dégrader les conditions d'une chimie idéale afin de limiter les dégagements de chaleur. Ces considérations associées à des contraintes économiques, de sécurité et de respect de l'environnement expliquent l'intérêt croissant pour la transposition du batch vers le continu et pour l'intensification des procédés. En réponse à cette problématique, on assiste au développement d'une nouvelle classe d'appareils: les réacteurs-échangeurs. Ces appareils, basés sur le principe de l'échangeur de chaleur, offrent par la présence d'internes spécifiques, un comportement hydrodynamique de type piston associé à une grande capacité d'échange thermique. Leur mode de fonctionnement en continu conduit en outre à un faible en-cours du milieu réactionnel, au sein d'une structure compacte. De tels appareils permettent à la fois de réduire la consommation énergétique, d'améliorer la productivité et de réduire l'impact sur l'environnement en diminuant les quantités de solvant. Dans ce travail, nous nous somme intéressés à un type spécifique d'internes : les mousses métalliques. Le type d'écoulement généré par les mousses, les performances thermiques et les pertes de charges ont été évalués. Une réaction fortement exothermique a ensuite été mise en œuvre dans des conditions difficilement accessibles en réacteur batch. Un outil de simulation a permis de simuler l'ensemble des résultats expérimentaux et de prédire des conditions de fonctionnement en réacteur continu ou en réacteur en boucle. Les résultats de ces études démontrent tout l'intérêt des mousses métalliques en tant qu'internes de réacteurs

Titre traduit

Contribution of metallic foams in an intensified continuous reactor

Résumé

Most of processes involved in the chemical industry are operated in batch or semi-batch mode. These types of reactors can actually answer to large requirements of versatility and flexibility. However, this way of operating is not 100% efficient for all applications and temperature control is not always satisfactory and in the case of exothermic reactions, a cooling failure may lead to dangerous consequences due to thermal runaway. These considerations associated with the economical, security and environmental aspects explain the growing interest on the transposition from batch to continuous and intensified processes. From the above discussion, it can be seen that there is an interest on studying new devices: heat exchangers-reactors. These devices, based on the principle of the heat exchange, offer thanks to specific interns, a plug flow behaviour associated with a great capacity for heat exchange. Such devices are thus ideally suited to the intensification of processes, as they can reduce energy consumption, improve productivity and reduce environmental impact. In this study we have chosen to deal with a specific heat-exchanger reactor. It is made generally from a main channel packed with stainless steel metallic foams. Thus, the characterization of the heat exchanger-reactor has been carried out according to different steps. First, a residence time distribution study has been performed concluding to a plug flow behaviour. The second step concerns the study of thermal performances and pressured drops. Besides, a strong exothermal reaction (oxidation) has been studied inside the continuous metallic foams reactor under non-reachable batch conditions. A simulation tool has been developed, allowing to represent the whole experimental results and to predict the behaviour of a loop-reactor. Finally, this work exhibits the potential of this type of interns.