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Soutenances

Vendredi 05 décembre : Thèse de Tristan AILLET

« Conception et mise en œuvre de réacteurs photochimiques intensifiés »

La thèse se déroulera le vendredi 05 décembre 2014 à 10h30, en amphi A100 : Campus ENSIACET.

- Résumé :

L’objectif de ces travaux de thèse est d’améliorer les connaissances sur les réacteurs photochimiques afin de permettre une conception, un dimensionnement et un pilotage plus efficace, compatible avec des contraintes industrielles. Ces travaux se basent sur une méthode d’intensification des procédés et visent la mise en œuvre de réactions de photochimie préparative.

La photochimie préparative est une voie de synthèse particulièrement attrayante dans le contexte de la chimie verte. Elle donne accès à des composés hautement fonctionnalisés (molécules à cycle tendu, hétéroatomes etc.) difficilement ou pas accessibles par voie thermique, de manière sélective, en très peu d’étapes réactionnelles et sans ajout des réactifs supplémentaires. Malgré ses potentialités, la transposition industrielle demeure limitée.

Les principales contributions de cette thèse sont d’avoir analysé finement les bénéfices de la petite échelle pour la conduite de réactions photochimiques et d’avoir proposé une méthodologie pour transposer des réactions photochimiques dans des équipements industriels.

Dans un premier temps, un outil numérique a été développé afin de modéliser le couplage entre les différents phénomènes rencontrés en microphotoréacteur (transfert radiatif, transport des espèces et cinétique photochimique). Une formulation du système d’équations basée sur des nombres sans dimension a été utilisée de façon à accéder à une vision indépendante de l’échelle de l’expérimentation. A cet effet, les nombres sans dimension classiquement rencontrés en génie de la réaction ont dû être adaptés aux spécificités des réactions photochimiques. Quatre nombres sans dimension contrôlant les performances en sortie de microphotoréacteur ont été mis en exergue : les nombres de Damköhler I et II, l’absorbance dans le milieu et le facteur de compétition d’absorption des photons incidents.

A partir de ce modèle, une cartographie décrivant les différents régimes de fonctionnement rencontrés en microphotoréacteur a été établie. Une attention particulière a été ensuite portée sur les cas de fonctionnement où la conversion en sortie du réacteur est significativement réduite par la compétition des espèces pour absorber les photons. Cette compétition est liée au nombre de Damköhler II qui permet d’évaluer l’efficacité du mélange diffusif transverse. Ces simulations numériques ont abouti à la construction d’un abaque pour choisir les conditions opératoires à imposer afin de ne pas être limité par le mélange transverse.

Dans un second temps, différents outils et dispositifs expérimentaux ont été développés afin de caractériser les réacteurs (notamment par actinométrie) et de suivre en ligne par spectrophotométrie différents systèmes réactionnels. Des microphotoréacteurs de type « capillary tower » et en spirale ont été conçus. Ces dispositifs expérimentaux ont permis d’opérer dans une très large gamme de conditions opératoires (flux de photons, temps de séjour) afin de valider les observations numériques. Pour cela, différents systèmes photochimiques ont été mis en œuvre : une photocycloaddition [2+2] intramoléculaire et deux systèmes photochromiques. Les résultats expérimentaux obtenus, avec ou sans limitation par le transfert diffusif transverse, ont clairement confirmé la pertinence des observations numériques. En outre, la faisabilité d’utiliser un microréacteur comme outils d’acquisition de données cinétiques de réactions photochimiques a été démontrée.

Finalement, sur la base des observations expérimentales et numériques, une méthodologie générale est présentée sous forme de logigramme pour déterminer les paramètres de dimensionnement en microphotoréacteur (temps de séjour et densité de flux de photons reçus à la paroi). Des critères ont été proposés pour caractériser les microphotoréacteurs : la productivité, et de manière plus originale, le rendement énergétique global (incluant l’efficacité photonique).

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