Impression 3D, chimie de flux et simulation multiphysique appliquées au développement et à l’optimisation de réacteurs structurés

Additive manufacturing, flow chemistry and multi-physics simulation applied to the development and optimization of structured reactors

• Auteur / Autrice : Franco Otaola
• Direction : Mikel Leturia, Denis Luart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et Chimie : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)
• Date : Soutenance le 28/01/2022
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Modélisation CFD

Catalyse hétérogène

Synthèse en flux continu

Microréacteurs chimiques

Impression 3D

Prototypage rapide

Mots clés libres

Réacteurs structurés

Caractérisation hydrodynamique

Simulation par Mécanique des Fluides Numérique

Distribution de Temps de Séjour (DTS)

Microreactors

Additive manufacturing

Structured reactors

Flow chemistry

Heterogeneous catalysis

Hydrodynamic characterization

Computational Fluid Dynamics (CFD)

Residence Time Distribution (RTD)

Three-dimensional printing

Résumé

La pression du marché dans un monde globalisé, en parallèle d’une conscience environnementale croissante de la société, pousse l'industrie chimique à développer des procédés plus propres et plus efficaces. Aujourd'hui, il s’agit d’être capable de produire davantage, tout en réduisant l’impact environnemental et les coûts. L'Intensification des Procédés (IP) apparaît comme une solution à ces défis, l'IP étant définie comme "le développement de nouvelles voies de synthèse et de technologies modulaires innovantes susceptibles de déboucher sur des progrès décisifs". Il existe plusieurs approches d'IP, depuis l'utilisation de technologies innovantes, telles que les micro-ondes ou les ultrasons, jusqu'au passage de la chimie en batch à la chimie en flux continu. Le passage de la chimie en batch à la chimie en flux continu présente de nombreux avantages, tels que la production à la demande, une plus grande sélectivité et un meilleur contrôle du processus. De plus, l'amélioration des procédés peut aussi être permise par la miniaturisation des réacteurs, dont la réduction des longueurs de diffusion permet d’améliorer les transferts de chaleur et de matière au sein du réacteur. Parmi ces réacteurs miniaturisés, on trouve les « réacteurs structurés » présentant un certain degré de régularité dans leur structure, qui permet notamment la réduction des points chauds et un meilleur mélange des réactifs. Toutefois, la fabrication de ce type de réacteurs peut s’avérer relativement difficile. La Fabrication Additive (FA) est une technologie de rupture dans plusieurs domaines de l'ingénierie, y compris dans l’industrie chimique. La FA permet notamment la réalisation de réacteurs structurés miniaturisés avec des géométries internes impossibles à fabriquer auparavant. Ces types de structures peuvent présenter de nombreux avantages pour l'industrie chimique, à la condition de pouvoir exploiter correctement le nombre important de géométries et de possibilités permises par la FA. Pour cette raison, il est nécessaire de mieux comprendre comment les nombreux paramètres géométriques des réacteurs structurés affectent leur performance. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de ces nouveaux réacteurs, leurs avantages, leurs inconvénients et les défis futurs possibles dans le but d’améliorer leurs performances. Par conséquent, l'objectif principal est de développer une méthodologie complète, depuis la conception, la caractérisation et la simulation de réacteurs structurés jusqu'à leur optimisation. Ce travail est divisé en quatre sections, la fabrication des réacteurs (de la conception de la géométrie jusqu'à leur fabrication par FA), leur caractérisation hydrodynamique par l'étude de la Distribution de Temps de Séjour (DTS), l'étude des performances de ce réacteur pour des applications en catalyse hétérogène (solide/liquide) et leur simulation par Mécanique des Fluides Numérique (CFD). Pour la caractérisation hydrodynamique des réacteurs, un système automatisé complet a été développé pour mesurer la DTS par une technique de fluorescence, qui présente l’avantage principal de ne pas être intrusive et permet également une acquisition à haute fréquence. Les réacteurs structurés ont été fabriqués dans une résine polymère qui a permis le greffage de palladium pour l'utilisation des réacteurs dans des réactions catalytiques hétérogènes. Enfin, un premier workflow complet pour la simulation CFD et l'optimisation des réacteurs a été développé. En outre, une présentation des différentes techniques de fabrication additive et des perspectives d'applications futures concernant la fabrication de réacteurs microstructurés ont également été présentées.

The market pressure from a globalized world, in conjunction with a growing environmental conscience from society, pushes the chemical industry to develop cleaner and more efficient processes. Today, we should produce more, with reducing our environmental impact and at the same time lowering the costs. The Process Intensification (PI) appears as one solution for this challenge. PI is defined as “the development of new chemical routes and of innovative modular technologies that may lead to some breakthrough progress”. There exist several approaches for PI, from using innovative technologies such as microwaves or ultrasounds, to the transition from the chemistry in batch to flow chemistry. The passage from batch to continuous flow can bring several benefits, such as the production in demand, higher selectivity and better control of the process. The process improvement can be obtained by the miniaturization of the reactors, leading to small diffusion lengths that can improve heat and mass transfer properties. One type of miniaturized reactor are what is called “structured reactors”, with a certain degree of regularity inside their structure which leads to the reduction of hotspots, as well as better mixing among other benefits. Nevertheless, the fabrication of this type of reactors can be ratherchallenging. Additive Manufacturing (AM) has been a disrupting technology in several fields of engineering, including in the chemical industry. AM brings the possibility to fabricate miniaturized structured reactors with internal geometries that were not possible to fabricate. The benefit of this type of structures to the chemistry industry are very promising. Nevertheless, as AM enables a wide range of geometries and possibilities, it is necessary to better understand how the geometrical characteristics of the reactors affect their performance. This thesis aimed to improve the understanding of structured reactors, their advantages, disadvantages and future challenges to improve their performance. Consequently, the main objective was to develop a comprehensive methodology, from the conception, characterization and simulation of structured reactors up to their optimization. The work was divided into four different sections, i.e., the fabrication of the reactors (from the conception of the geometry, to their fabrication by AM), their hydrodynamic characterization by studying the Residence Time Distribution (RTD), the study of their performance for applications in heterogeneous catalysis (solid/liquid) and their simulation by Computational Fluid Dynamics (CFD). For the hydrodynamic characterization of the reactors, a complete automated system was developed to measure the RTD by a fluorescence technique, which had the main benefits of not being intrusive and also offered high frequency acquisition rates. The microstructured reactors were fabricated in a polymeric resin, which enabled the grafting of palladium for the use of the reactors for heterogeneous catalytic reactions. Finally, a first step for the development of a complete workflow for the CFD simulation and optimization of structured reactors was presented. Furthermore, a brief presentation of the different additive manufacturing techniques and the perspectives for future applications regarding the fabrication of microstructured reactors were also presented.