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RÉSUMÉ
Les microréacteurs ouvrent des possibilités nouvelles pour les industries. Ils s'inscrivent dans une démarche de qualité, de sécurité, de créativité et d'intensification des procédés. À ce titre, ils constituent une des briques de l'usine du futur. Transformations chimiques ou physiques y sont mises en œuvre. Les phénomènes et principes de base sont décrits, ainsi que certaines initiatives industrielles, tout en pointant les limites d'application de ces technologies innovantes.
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Microreactors open up new possibilities industries. They are part of a quality, security, creativity and process intensification approach. They are thus a cornerstone of the plant of the future. Chemical or physical transformations are implemented in microreactors. This article describes the basic phenomena and principles, as well as certain industrial initiatives, whilst highlighting the application limits of these innovative technologies.
Auteur(s)
INTRODUCTION
Les microréacteurs ouvrent des possibilités nouvelles pour les industries. Ils s'inscrivent dans une démarche de qualité, de sécurité, de créativité et d'intensification des procédés. À ce titre, ils constituent une des briques de l'usine du futur. Transformations chimiques ou physiques y sont mises en œuvre. Les phénomènes et principes de base sont décrits, ainsi que certaines initiatives industrielles, tout en pointant les limites d'application de ces technologies innovantes.
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1. Enjeux de la miniaturisation
Joëlle AUBIN est ingénieur en génie chimique de l'université de Sydney, docteur de l'INPT et de l'université de Sydney. Elle est chargée de recherche au CNRS.
Catherine XUEREB est ingénieur de l'École nationale supérieure d'ingénieurs de génie chimique de Toulouse et docteur de l'INPT. Elle est directrice de recherche au CNRS.
Toutes deux exercent au laboratoire de Génie chimique de Toulouse UMR 5503 INPT/CNRS/UPS.
Miniaturiser n'est pas un acte naturel chez un ingénieur de procédé. Culturellement, la démarche consiste plutôt à partir de mécanismes, de transformations, de réactions, qui sont obtenus à petite échelle – en général celle de la paillasse – puis de réaliser une extrapolation, souvent en passant par des étapes sur pilotes, pour arriver à proposer une installation industrielle de grande capacité.
Pourtant, les enjeux de la miniaturisation sont nombreux, et nous allons voir en quoi les spécificités des microréacteurs permettent d'ouvrir de nouvelles perspectives en termes de propriétés et de qualité des produits, de sécurité industrielle, d'efficacité, et de développement durable.
1.1 Caractéristiques d'un microréacteur
Un microréacteur est un système fabriqué par des techniques de microfabrication, car ses dimensions caractéristiques le nécessitent. On fait référence, en général, à des largeurs ou diamètres allant de 1 à 1 000 μm. Les nombreuses micro-techniques disponibles aujourd'hui autorisent des géométries variées et complexes. La fabrication des unités est souvent encore réalisée de façon quasi-artisanale, ce qui permet d'adapter exactement la géométrie à l'opération, et non l'inverse, ce qui est souvent le cas dans les procédés classiques à macro-échelle.
Les longueurs des appareils sont très variables, et sont conditionnées par le calcul du temps de séjour qui est nécessaire pour mener à bien l'opération. Il faut alors vérifier quel est le phénomène limitant qui conditionne le dimensionnement : mélange, transfert thermique, cinétique chimique…
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PANIC (S.), LOEBBECKE (S.), TUERCKE (T.), ANTES (J.), BOSKOVIC (D.) - Experimental approaches to a better understanding of mixing performance of microfluidic devices - Chem. Eng. J., 101, 409-419 (2004).
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(2) - EHRFELD (W.), GOLBIG (K.), HESSEL (V.), LÖWE (H.), RICHTER (T.) - Characterisation of mixing in micromixers by a test reaction : single mixing units and mixer arrays - Ind. Eng. Chem. Res., 38, 1075-1082 (1999).
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(3) - FOURNIER (M.C.), FALK (L.), VILLERMAUX (J.) - A new parallel competing reaction system for assessing micromixing efficiency – experimental approach - Chem. Eng. Sci., 51, 5053-5064 (1996).
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(4) - GUICHARDON (P.), FALK (L.) - Characterisation of micromixing efficiency by the iodide-iodate reaction system. Part I. Experimental procedure. Experimental procedure - Chem. Eng. Sci., 55, 4233-4243 (2000).
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(5) - AUBIN (J.), FALK (L.) - Agitation et Mélange : Aspects fondamentaux et applications industrielles - dans Bertrand (J.), Poux (M.) et Xuereb (C.) (Eds.), Chapitre 14, Dunod Paris (2006).
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