CHAPITRE II : LES MICRO-CONTACTEURS GAZ /LIQUIDE ET PRESENTATION DU II.1 Microréacteurs à dispersion de phases II.1.3 Exemples de microprocédés à bulles II.1.3.1 Microréacteur gaz/liquide en forme de Y Le microréacteur en forme de Y considéré ici est fabriqué en polyméthyl méthacrylate (Figure II. 3). Les deux microcanaux en V de longueur 1,5 cm et formant un angle de 60° constitue l’alimentation du gaz et du liquide. Les deux flux sont mis en contact au niveau d’un microcanal rectiligne de 4,8 cm de longueur. Le diamètre hydraulique des microcanaux est de 667µm (profondeur = 1000µm, largeur = 500µm). Afin d’éliminer les effets de bords, un deuxième contacteur est utilisé sans la portion rectiligne du microcanal. A travers la mise en œuvre de l’absorption du CO2 par un liquide d’absorption constitué par un mélange d’eau/NaHCO3/Na2CO3, Yue et al. (2007) se sont intéressés à comparer les performances de ce procédé à des procédés usuels. Les expériences menées ont permis de déterminer un coefficient de transfert de matière, côté liquide, pouvant atteindre 21s-1 ainsi qu’une aire interfaciale gaz/liquide qui s’élève à 9000m2/m3 par rapport au liquide. Ces valeurs sont supérieures à celles rencontrées dans le Figure II. 3: Photos des deux contacteurs gaz/liquide en forme de Y (Yue et al., 2007) II.1.3.2Microcanal méandrique Pour augmenter les transferts dans les microréacteurs gaz/liquide limités par l’écoulement laminaire, des adaptations géométriques sont nécessaires pour favoriser le mélange des phases (Bayraktar et Pidugu, 2006). Les méthodes employées sont variées : création d’instabilités au sein de l’écoulement, étude de microcanaux non rectilignes comme les serpentin (Vijayendran et al., 2003), les tubes tordus (Liu et al., 2000), etc. Une étude effectuée par Fries et al. (2008) a démontré que l’utilisation de microcanaux méandriques (Figure II. 4) pour un écoulement gaz/liquide segmenté permettait d’augmenter d’une manière significative le transfert de matière. Figure II. 4: Module gaz/liquide (Fries et al., 2008) Ce type de configuration est très intéressant étant donné qu’il permet la fabrication de microcanaux longs sur un module de petite taille. De plus on y observe des effets d’écoulement qui améliorent le mélange des deux phases. En effet, dans les microcanaux incurvés, l’écoulement segmenté diphasique présente des zones de recirculations symétriques au sein du liquide dans les portions rectilignes avec la formation de deux vortex, circulant à contresens ; et des zones de recirculations asymétriques au niveau des arrondis qui accélèrent la vitesse et par conséquent le transfert de matière. Fries et al. (2008) ont déterminé les champs de vitesses pour un écoulement segmenté gaz/liquide dans un microcanal méandrique à travers des mesures de µ-PIV. La présence de courbures au niveau du microcanal permet d’avoir un mouvement asymétrique favorisant le transfert de matière. Ce dernier peut être amélioré par l’augmentation de la vitesse superficielle du liquide. Afin d’optimiser les recirculations dans le centre du canal, les auteurs suggèrent : un grand angle de courbure, un faible rayon de courbure et un petit diamètre hydraulique. Ces paramètres permettent d’avoir des vitesses importantes, donc une augmentation des vitesses de transfert de matière. II.2Microréacteurs à phases continues Dans ce type de microréacteurs, la phase liquide et la phase gaz forment deux flux alimentant séparément deux zones distinctes du microréacteur. Idéalement, les phases sont récupérées séparément en sortie du procédé. Le grand avantage que présentent ces microréacteurs est la stabilité du film liquide et de l’interface gaz/liquide, ce qui permet d’éviter le mélange des phases. Les microréacteurs à phases continues se distinguent des micro-procédés à phases dispersées par un rapport G L (débit molaire du gaz/débit molaire du liquide) élevé, permettant la mise en contact entre un grand débit de gaz avec un débit de liquide relativement faible. II.2.1Microréacteur à mailles Le microréacteur à mailles gaz/liquide, développé par le CRL5 assure la minimisation de la dispersion des réactifs et des produits en soutirant ces derniers par le port d’entrée (Hessel et al., 2005). Ce genre d’appareil est approprié pour les réactions lentes ou la mise en œuvre des échantillons à petits volumes. Il peut aussi être adapté pour les grands volumes ou les réactions chimiques rapides (Hessel et al., 2005). La configuration en quart de cercle du réacteur (Figure II. 5) contribue à l’obtention d’un écoulement radial permettant de minimiser les résistances à l’écoulement des flux. Le principe de ce microréacteur réside dans l’intégration d’une structure en mailles séparant deux chambres planes ayant chacune un volume d’environ 100µm et contenant les phases. La structure maillée a une aire interfaciale ouverte importante allant jusqu’à 40%. L’interface est 5 CRL (Central Research Laboratories) : Centre de recherche américain spécialisé essentiellement dans la conception et la fabrication des systèmes de téléopération permettant d’effectuer des manœuvres dans des environnements dangereux, hostiles ou stériles. Ces dispositifs sont destinés aux industries pharmaceutiques, stabilisée par des ouvertures bien définies entre le gaz et le liquide. En effet pour éviter le mélange, les ménisques doivent être stables dans la gamme de différence de pression établie entre les deux phases pendant l’opération. Afin d’assurer une faible résistance au transport diffusionnel, le rapport longueur du pore/largeur doit être peu différent de l’unité. Figure II. 5: Réacteur à micromailles (Hessel et al., 2005) Une hydrogénation asymétrique gaz/liquide (Abdallah et al., 2004) a été conduite dans ce microréacteur. L’aire ouverte de la maille est située entre 20 et 25% ce qui correspond à une aire interfaciale gaz/liquide de 2000m2/m3, nettement plus importante que les valeurs obtenues dans les réacteurs agités traditionnels. II.2.2 Absorbeur à microcanaux Les chercheurs du PNNL se sont beaucoup intéressés aux procédés de séparation microstructurés. Ces travaux ont permis de concevoir un absorbeur gaz/liquide à microcanaux (Figure II. 6) caractérisé par une micro-distribution uniforme des flux et par des transferts de matière et de chaleur extrêmement rapides avec des temps de passage courts. Le microabsorbeur est constitué de deux microcanaux parallèles dans lesquelles le liquide et le gaz s’écoulent séparément. Le transfert est effectué à travers une plaque microporeuse d’épaisseur comprise entre 10 et 50µm séparant les deux flux. Bien que cette plaque facilite le contact à contre-courant, elle accentue toutefois la résistance au transfert. TeGrotenhuis et al. (2000) ont démontré la performance de ce procédé à travers la mise en œuvre de l’absorption gaz/liquide avec réaction chimique dans deux cas : la séparation du CO2 dans un mélange de CO2/N2 par le diéthanolamine et l’absorption du CO contenu dans un mélange CO/H2/CO2 par des solutions de Formiate d’ammoniaque de cuivre. Les résultats montrent que plus de 90% du CO2 est absorbé en moins de 10s dans un mélange gazeux initial composé de 25% de CO2. Des performances similaires sont obtenues pour l’absorption de CO. Maille Entrée Figure II. 6: Absorbeur gaz/liquide microstructuré (TeGrotenhuis et al., 2000) Dans le document Étude d'un procédé propre couplant l'absorption gaz/liquide microstructurée avec la distillation pour le traitement d'air chargé par un Composé Organique Volatil (Page 41-45)
