Techniques de réaction chimique et leur rôle dans le cadre de la transformation

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La technique de la réaction chimique se situe à l'intersection entre la chimie et la génie des procédés. Quiconque parle de l'agrandissement des processus, de l'électrification ou de l'utilisation de l'hydrogène doit automatiquement penser à la technique de la réaction : elle détermine les conditions de réaction, régule ce qui se passe quand et où, assure l'efficacité énergétique et influence les propriétés du produit.

Selon les experts, trois tendances se distinguent actuellement dans la technique de la réaction :

– une conception intégrée du produit et du procédé basée sur une compréhension fondamentale des réacteurs et des réactions
– la diagnostic de processus basé sur des modèles, des investigations opérando et des données de processus
– l'électrification des procédés chimiques et le stockage d'énergie électrochimique et chimique à grande échelle.

De nouvelles méthodes de diagnostic, une meilleure compréhension des processus et la fabrication sur mesure de réacteurs et de composants, par exemple à l'aide de l'impression 3D, permettent de fournir de nouveaux équipements répondant aux exigences issues des processus innovants.

Du laboratoire au procédé industriel

On recherche de plus en plus un chemin aussi fluide que possible, du premier concept au réacteur de laboratoire puis au procédé à grande échelle, afin d'éviter les goulots d'étranglement lors de l'agrandissement et de mettre rapidement en application de nouvelles méthodes. Diverses méthodes de diagnostic et de modélisation y contribuent. Dès la phase de laboratoire, les réacteurs sont équipés d'instruments sophistiqués permettant un contrôle précis des conditions de réaction telles que la température, la pression partielle, les temps de passage, etc. S'ajoutent des systèmes facilement configurables pour l'automatisation du processus, afin de pouvoir faire fonctionner de manière automatisée, sur de longues périodes, des réacteurs souvent installés en parallèle. La collecte et le traitement automatiques des données facilitent l'interprétation des résultats expérimentaux et constituent la base d'une mise à l'échelle continue des processus.

Plus la stœchiométrie, la thermodynamique, la cinétique, les phénomènes de transport et les données de sécurité pertinentes sont connues précisément, mieux il est possible de prévoir la performance du procédé à l'échelle industrielle. À partir de ces paramètres, on peut calculer les temps de réaction ainsi que la consommation ou la production d'électricité ou de chaleur. En intégrant les processus de transport, le réacteur peut être conçu pour que la réaction se déroule en toute sécurité avec des rendements élevés. Les études sur de petites installations sont indispensables, car pour la conception et l'analyse du procédé, il faut aussi prendre en compte les flux de recyclage ainsi que le fonctionnement en sous-charge et lors de l'initialisation ou de l'arrêt de la réaction. Grâce à un bon modèle, le procédé peut alors être directement intégré dans l'usine de production. En pratique, une installation pilote est souvent intercalée pour réduire les risques lors de l'agrandissement.

Une grande installation dans de petites structures ?

Mais l'objectif n'est pas toujours un réacteur aussi grand que possible. Cela est illustré par une autre tendance de recherche importante, la chimie en flux. Elle ouvre de nouvelles voies pour les réacteurs catalytiques et les techniques de production. Des nanoparticules et d'autres matériaux fonctionnels peuvent être fabriqués dans des réacteurs microfluidiques aux propriétés précisément définies. Ces réacteurs permettent également un meilleur transfert de chaleur et de matière. Les réacteurs microstructurés se caractérisent par des structures internes allant de dix à plusieurs milliers de micromètres. Dans de telles structures, il est possible de chauffer ou de refroidir des liquides en quelques millisecondes.

Actuellement, des installations de production microstructurées sont également en cours de développement, par exemple pour produire à partir d'énergie renouvelable des hydrocarbures synthétiques ou des produits chimiques Power-to-X de haute qualité. Grâce à leur excellente transmission thermique, elles permettent des rendements élevés en espace-temps, une grande sélectivité, des propriétés de produit précisément définies et une longue durée de vie des catalyseurs. Si elles sont modulaires et peuvent être rapidement mises en marche ou arrêtées, elles sont particulièrement intéressantes pour une utilisation décentralisée sur le site de production d'énergie. Plusieurs entreprises, dont Ineratec, réfléchissent déjà à leur développement : elles ne veulent pas seulement utiliser ces réacteurs microstructurés en phase de développement, mais aussi les transformer en installations de production commerciales.

Les développements récents concernant les réacteurs microstructurés ont montré que l'intensification des échanges thermiques dans les procédés de production, principalement limitée aux systèmes à phase unique, a été également stimulée par ceux-ci. En principe, les réacteurs microstructurés peuvent aussi être utilisés pour des systèmes multiphasiques. Des effets tels que la tension de surface, la mouillabilité ou un comportement d'écoulement inégal dans des canaux parallèles compliquent l'application industrielle des micro-réacteurs.

Pour la production à grande échelle, il faut un concept de montée en échelle intégré, garantissant le débit nécessaire, tout en ne modifiant que légèrement le diamètre des canaux. Ainsi, les avantages de la technique de micro-réaction, comme le haut degré de mélange, le transfert thermique exceptionnel et le contrôle précis du procédé, sont conservés. Le débit souhaité peut par exemple être réalisé par la connexion parallèle des canaux à un faisceau de canaux dans le réacteur.

Shaoxing Eastlake Hi-Tech Co. Ltd. a mis en service en 2016 en Chine le premier réacteur de production à grande volume basé sur la microtechnologie pour la fabrication d’un ingrédient destiné à des applications agricoles. Aujourd’hui, trois de ces réacteurs fonctionnent en continu avec une capacité totale de 30 000 t/an.

De la cuve à agitation aux procédés hybrides

Le développement de nouveaux procédés et la conception des appareils pour la construction de réacteurs chimiques avancent de concert. Aujourd'hui, la gamme d'appareils et de conceptions de réacteurs est aussi vaste que le portefeuille de produits des installations chimiques. En raison de sa flexibilité, la cuve à agitation reste le type de réacteur le plus répandu. Cependant, la palette technologique s'étend du réacteur à lit fixe classique avec fusion salée ou refroidissement par évaporation, aux échangeurs de chaleur, colonnes à bulles, réacteurs à jets, réacteurs à buse et à lit fluidisé, jusqu'aux réacteurs à haute température et aux appareils plus complexes comme les microstructurés, électrochimiques, à pétri, ainsi que les systèmes hybrides tels que la distillation réactive, l'extraction ou le lavage gazeux.

Bien que la cuve à agitation soit l'un des plus anciens types de réacteurs chimiques, elle continue d'être améliorée en permanence. Par exemple, pour l'« intérieur » des cuves émaillées, de nouvelles solutions comme des disjoncteurs de courant flexibles et d'autres modifications ont été développées, améliorant nettement la flexibilité et l'efficacité énergétique des systèmes gaz-liquide, malgré les limitations inhérentes à l'émail.

Pour augmenter l'échange thermique, des plaques d'échangeur thermique peuvent être intégrées dans la cuve à agitation, offrant des surfaces d'échange plus grandes que les serpentins internes. Cela permet un meilleur contrôle des réactions exothermiques, telles que l'hydrogénation en suspension. Les réacteurs à bain salin sont des réacteurs à lit fixe conventionnels pour des réactions exothermiques hétérogènes en phase gazeuse à haute température. Ils sont notamment utilisés pour des oxydations partielles, par exemple dans la synthèse de l'acide acrique.

Lorsque les exigences en matière d'échange thermique ou de contrôle de la température sont plus élevées, on peut utiliser des réacteurs à échangeur thermique. Basés sur des échangeurs à plaques ou à faisceau de tubes, ils permettent des taux d'échange thermique très élevés pour des systèmes à phase unique.

Défis liés à l'application

Les nouveaux procédés industriels, le changement de la base énergétique et des matières premières, ainsi que la recherche de rentabilité, poseront encore des défis à la technique de réaction dans les années à venir. En particulier, face à la tendance vers des matières premières biosourcées et recyclées, dont la composition et les propriétés physiques varient nettement plus que celles des matières premières pétrochimiques conventionnelles, et qui contiennent généralement plus d'impuretés, il faut que les réacteurs soient à la fois aussi optimisés que possible et suffisamment robustes pour faire face à des exigences changeantes.

Certains procédés biotechnologiques nécessitent de grands volumes de réacteurs de plus de 1 000 m³ et des taux de transfert de masse élevés. Pour un système de ventilation conventionnel, cela implique rapidement des puissances motrices supérieures à 10 MW, ce qui est difficile à réaliser mécaniquement. Le développement de technologies hybrides d'aération et de nouvelles méthodes de dissipation thermique pourrait contribuer à accélérer l'introduction de ces procédés dans l'industrie.

Pour la production de nouveaux médicaments géniques et thérapies cellulaires, fortement individualisées, il serait idéal que toutes les étapes de réaction se déroulent dans un espace réduit, près du point de soin — une usine pharmaceutique compacte et mobile, sous forme de « coffre » — serait une solution envisageable.

Quelle que soit la diversité des applications, les solutions innovantes que développent les techniciens de réaction et que fournissent les fabricants d'appareils et d'installations, beaucoup reste à attendre dans les années à venir, compte tenu des nombreuses innovations en cours.

Ce rapport de tendance ACHEMA est basé sur la feuille de route "Chemical Reaction Engineering", 3e édition 2023, https://dechema.de/Roadmap_Reaction_Engineering-path-123211,124930.html