echangeurs / rÉacteurs milli-structurÉs · empilement de plaques maquette finale (l=3.4m)...
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DU BATCH AU CONTINUECHANGEURS / RÉACTEURS MILLI-STRUCTURÉS
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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CONTEXTE
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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
| 6Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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 ?
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FLUIDES VISQUEUX
Advection chaotique
| 8Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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
| 9Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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)
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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
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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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APPLICATION DIPHASIQUE
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
POLYSAFE � VERSATILITÉ
• 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
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
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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APPLICATION DIPHASIQUE
Journée technique Axelera | BSF / CEA-Liten | N. Durand, Z. Minvielle
POLYSAFE � VERSATILITÉ
• 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
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