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Principes théoriques de la chimie en flux

La chimie en flux, ou chimie en flux continu, consiste à réaliser les synthèses dans différents équipements, traversés par le milieu réactionnel en écoulement, dans lesquels on effectue les réactions et les transformations de façon contrôlée. Elle diffère de la chimie en mode discontinu (ou batch) qui s’effectue essentiellement dans un seul et même équipement en mode transitoire, dans lequel on mène de façon séquencée les différentes étapes de la synthèse.

La chimie en flux offre, par rapport au mode discontinu, de nombreux avantages.

• Meilleurs contrôle et répétabilité des réactions grâce à l’utilisation de plusieurs équipements placés en série et qui permettent d’ajuster très précisément les conditions de température, de pression, de concentration, et le temps de séjour, en fonction des conditions optimales requises par la réaction. Les équipements de chimie en flux continu offrent une grande modularité.

• Intensification des transferts (chaleur, matière et mélange) grâce à la miniaturisation des équipements, ce qui permet de s’affranchir des étapes limitantes qui ont très souvent un effet néfaste sur la conversion et la sélectivité des réactions.

• Nouvelles conditions opératoires de température, de pression et de concentration qui peuvent être réalisées en toute sécurité avec, souvent, une productivité accrue ou un temps de séjour plus faible.

  Par exemple, l'exécution d'une réaction continue sous pression permet de déclencher des réactions à des températures plus élevées que les réactions en mode discontinu, où le solvant reflue souvent à température ambiante.

• Sécurité renforcée des procédés. Le passage de batch à continu peut permettre de diminuer le risque de réactions considérées trop dangereuses. Grâce à l’intensification des transferts thermiques, il est beaucoup plus facile en flux continu de maîtriser la température des réactions très exothermiques susceptibles de conduire à un emballement thermique. Les quantités de réactifs entrant en contact sont plus faibles et les échantillonnages manuels sont supprimés.

• Analyse rapide, optimisation et extrapolation des réactions chimiques. En chimie en flux continu, il peut être assez facile et rapide de modifier les conditions de réactions (température, concentration), avec de faibles quantités de substrats et de réactifs, pour rechercher des conditions optimales de synthèse.

Les analyses en temps réel et en ligne permettent également de déterminer rapidement l'effet des variables sur les performances de réaction.

Pour comprendre l’intérêt de la chimie en flux par rapport à la chimie discontinue, il est nécessaire de comprendre les grands principes fondamentaux qui conditionnent les conversions et les rendements des réactions chimiques.

Quatre principes fondamentaux d’amélioration sont présentés :

• le transfert de chaleur ;

• le transfert de matière ;

• le mélange ;

• le contrôle de l’écoulement dans les équipements continus.

Pour chacun de ces grands domaines, l’article aborde l’impact des processus sur le rendement et la sélectivité des réactions.