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RÉSUMÉ
Cet article fait le point sur la mise en œuvre du chauffage par micro-ondes pour la synthèse organique. L’approche développée ici balaie plusieurs aspects : elle apporte les connaissances indispensables sur la thermique micro-onde, la technologie des systèmes micro-ondes et les capteurs associés, liste les avantages et les limites au travers d’exemples de réactions organiques et propose des préconisations. Le sujet est abordé avec une vision combinée chimie et génie des procédés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Martine POUX : Ingénieur de Recherche - Laboratoire de Génie Chimique INPT/UPS/CNRS, École Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques, Toulouse (ENSIACET), France
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Lionel ESTEL : Professeur des Universités - Laboratoire de Sécurité des Procédés Chimiques, Institut National des Sciences Appliquées de Rouen (INSA Rouen), France
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Christophe LEN : Professeur des Universités - Transformations Intégrées de la Matière Renouvelable, Université de Technologie de Compiègne (UTC), France
INTRODUCTION
Les micro-ondes – ondes électromagnétiques qui se situent dans la gamme des hyperfréquences – sont capables de générer le chauffage de milieux pour peu qu’ils soient sensibles à ces ondes, par exemple en possédant des caractéristiques diélectriques particulières. Contrairement aux techniques classiques de chauffage par conduction ou convection, l’utilisation des micro-ondes implique une interaction entre un rayonnement électromagnétique et la matière. Il ne s’agit donc pas d’un transfert thermique, le chauffage par micro-ondes d’un produit résulte ainsi de la conversion en chaleur de l’énergie d’une onde électromagnétique au sein de ce matériau.
L’application de ce type de chauffage à la synthèse chimique a été initiée il y a maintenant près de trente ans. Si beaucoup d’expériences positives ont été menées, trop peu dépassent encore le stade du laboratoire. La mise en œuvre d’un procédé de synthèse sous micro-ondes reste complexe et nécessite une attention particulière. L’approche intégrative de l’ingénieur alliant la com-préhension des mécanismes électromagnétiques mis en jeu et de leurs interactions avec le milieu, le développement de technologies spécifiques et l’analyse critique des réactions sont autant d’éléments indispensables pour la réussite de toute réaction organique sous micro-ondes et par la suite de son industrialisation. Cet article rapporte les connaissances de base indispensables, fait le point sur les technologies disponibles, met l’accent sur les points critiques et enfin propose une démarche utile pour appréhender la synthèse organique sous micro-ondes. Il s’accompagne d’exemples de synthèses organiques et montre les potentialités offertes par l’utilisation de cette technique de chauffage en particulier dans le contexte du développement durable.
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Équipements de laboratoire et systèmes industriels
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1. Théorie du chauffage sous micro-ondes
1.1 Nature des ondes électromagnétiques
Composées d’un champ magnétique et d’un champ électrique oscillants, les ondes électromagnétiques se situent entre 300 MHz et 300 GHz dans le spectre électromagnétique, zone intermédiaire entre l’infrarouge et les ondes radio. Les fréquences les plus répandues en France pour le chauffage sont 2,45 GHz (four micro-onde ménager) et 945 MHz, les autres fréquences étant réservées à des usages de télécommunication ou de détection. La gamme des longueurs d’onde associées dans le vide varie de 1 m à 1 mm.
HAUT DE PAGE1.2 Interaction ondes-matière et propriétés diélectriques
Par analogie avec la lumière visible, les ondes électromagnétiques, en fonction de leur longueur d’onde et de la nature des matériaux, vont être réfléchies, absorbées ou ne pas interagir. Pour les matériaux aptes au traitement par micro-ondes, ces trois comportements vont la plupart du temps coexister.
Contrairement aux conducteurs dans lesquels les charges peuvent se déplacer librement, un diélectrique est un matériau isolant (papier, mica, verre, etc.) dont les charges sont très fortement liées aux atomes qui le constituent. Il n’existe pratiquement pas d’électrons libres dans les diélectriques ; ce sont donc de très mauvais conducteurs d’électricité.
Un diélectrique est donc un milieu matériel dans lequel un champ électrique peut exister à l’état stationnaire. L’apparition d’un champ électrique au sein du diélectrique provoque une déformation des molécules ainsi qu’une réorientation de ses moments dipolaires permanents. En effet, certaines molécules, comme la molécule d’eau, sont dites polaires car elles présentent une polarisation moléculaire permanente due à une répartition non homogène des charges électriques. La polarisation par un champ externe est par définition la somme de tous les moments multipolaires induits. Elle peut donc être reliée à une caractéristique des constituants microscopiques du milieu : la polarisabilité.
Pour le chauffage, c’est l’absorption des ondes électromagnétiques qui va importer, elle dépend de la...
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Théorie du chauffage sous micro-ondes
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - JONSCHER (A.K.) - Dielectric relaxation in solids, - Chelsea Dielectrics Press, London, (1983).
-
(2) - POUX (M.) – Chapitre 7 : Microwaves : a potential technology for green process development, p166-206 dans - Green process engineering : from concepts to industrial applications, - édition CRC Press, Boca – Raton (2015).
-
(3) - BONNET (C.) - Dualité du couplage onde-matière de l’intensification par chauffage micro-onde à la sécurité des procédés, - thèse de Doctorat UTC – Compiègne (2003)
-
(4) - LEGRAS (B.) - Adsorptions et désorptions compétitives sous irradiation micro-ondes : étude de la conversion d’énergie électromagnétique couplée aux transferts de matière et de chaleur - – INSA – Rouen (2011)
-
(5) - MAZUBERT (A.), TAYLOR (C.), AUBIN (J.), POUX (M.) - Key role of temperature in interpretation of MW heating on transesterification and esterification reactions for biodiesel production. - Bioressources...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
http://www.ansys.com/Products/Electronics/RF-and-Microwave
HAUT DE PAGEConstructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
http://www.anton-paar.com/fr-fr
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