Conception, développement et caractérisation de microréacteurs pour la dégradation des composés organiques volatils par oxydation catalytique sur platine : application à l’acétone, à la méthyléthylcétone et au toluène

摘要

Durant ces dernières années les contraintes environnementales, au niveau national et international, obligent les industriels à maitriser leurs rejets d’effluents liquides et gazeux notamment leurs émissions de Composés Organiques Volatils (COV). Les COV sont des composés dangereux pour la santé de l’homme et pour son environnement à cause de leur persistance dans l’air et de leur capacité à se transformer en d’autres molécules encore plus dangereuses. Ils sont également classés comme gaz à effet de serre directs et indirects (précurseurs d’ozone). L’oxydation catalytique est un procédé destructif très intéressant et largement employé pour l’élimination des COV, il présente plusieurs avantages telles qu’une conversion élevée et une grande sélectivité par rapport au CO2. De plus, les températures de fonctionnement sont très modérées par rapport à la combustion thermique. Cependant, cette réaction fortement exothermique, extrêmement rapide, est généralement mise en œuvre dans des réacteurs à lits fixes conventionnels, et se déroule en présence de fortes limitations par le transfert de matière. Ce procédé est donc très demandeur en termes de conception de nouveaux réacteurs qui peuvent permettre d’intensifier les transferts pour atteindre l’efficacité requise au moindre coût. Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent ainsi la conception et le développement de microréacteurs pour la dégradation des COV, trois molécules ont été étudiées : l’acétone, la méthyléthylcétone et le toluène. Les microréacteurs développés dans cette étude sont des réacteurs microstructurés à multiples canaux parallèles, basés sur le principe d’empilement de plaques en silicium recouvertes du catalyseur (platine). Les microréacteurs possèdent de part leurs dimensions micrométriques, des ratios S/V très élevés par rapport aux réacteurs conventionnels. Les ratios S/V des quatre microréacteurs, conçus dans ces travaux, varient de 14000 à 60000 m2/m3 alors qu’à titre d’exemple, la cuve agitée possède des ratios de 100-1000 m2/m3. Les microréacteurs étudiés se distinguent par leur conception. Les microréacteurs de 1re génération, dont le chauffage se fait par conduction avec des cartouches résistives insérées dans une enceinte métallique (acier INOX), se différencient par les dimensions de leurs microcanaux (200x500, 200x100 et 100x50 µm2). L’originalité du microréacteur de 2e génération (200x100 µm2) est liée à son système d’alimentation mais surtout à son mode de chauffage intégré constitué d’une plaque en silicium, comportant résistance et capteurs de température, insérée au milieu des plaques catalytiques. Les résultats obtenus en termes de performance catalytique sont très prometteurs (65-100 % de conversion) sur une large gamme de concentration des COV (250-11700 ppmV) et des GHSV très élevées (18700-314000 h-1). Il a également été constaté que, outre la température, les conditions opératoires (GHSV et concentration) avaient une influence importante sur les performances catalytiques. Le microréacteur de 2e génération a conduit à de meilleures conversions que les microréacteurs de 1re génération, en particulier aux températures élevées. Un ordre de réactivité entre les molécules qui dépend de leurs concentrations a également été établi. Concernant la caractérisation des écoulements dans les microréacteurs, les écoulements observés sont laminaires dans les microcanaux et les écoulements dans les microréacteurs correspondent probablement à un modèle piston à dispersion axiale malgré des valeurs du nombre de Bodenstein trés élevées. La continuité du milieu fluide a été étudiée dans les microréacteurs et un éventuel effet de raréfaction a été relevé dans le plus petit réacteur (100x50 µm2). Finalement, une étude des limitations par le transfert de matière a permis d’écarter d’éventuelles limitations dues au transfert de matière interne et de mettre en évidence la difficulté d’évaluer les limitations par le transfert de matière externe.