Contribution à l’étude de l’hydrodynamique des écoulements et de la mise en oeuvre de réaction chimique dans les réacteurs microstructurés

Abstract

L'utilisation de la CFD pour le développement de modèles hydrodynamiques et cinétiques pour la nitration du phénol et la combustion du méthane dans un microcanal, est une étape nécessaire à la mise en oeuvre de ces réactions importantes qui présentent des caractéristiques délicates de forte exothermicité et d'hétérogénéité du mélange réactionnel. Le but de ce travail était d'étudier en premier lieu, la nitration du phénol avec de l'acide nitrique dans un microréacteur par simulations grâce à l'analyse de l'effet des débits d'alimentation des réactifs et de la géométrie des canaux. Les simulations ont été réalisées dans des géométries en forme de T et de Y. Les largeurs des canaux d'alimentation et du canal central sont respectivement de 100 mm et 200 mm Les modèles d'écoulement et cinétiques ainsi que les hypothèses utilisées dans ce travail ont permis le développement d'un modèle CFD considérant les phénomènes hydrodynamiques et physico-chimiques de la réaction de nitration du phénol dans les microcanaux. Les résultats de la simulation ont montré que les paramètres les plus critiques pour la conversion du phénol sont les vitesses d'alimentation et la longueur longitudinale du microcanal. Ainsi, à faibles débits d'alimentation, la fraction massique de nitrophenol obtenue est plus élevée et atteint jusqu'à 0,847 pour certains systèmes. Les résultats de simulations de la réaction de combustion catalytique du méthane sur une surface de platine, dans un microréacteur rectangulaire avec 200 μm de largeur et 30 mm de longueur, ont indiqué une bonne concordance entre les profils de températures et de la fraction massique des espèces. La conversion du méthane maximale est atteinte à la même position qui correspond à la zone où la réaction de combustion est la plus intense. La combustion catalytique du méthane est favorisée par les hautes températures.