IRPI : Réacteurs Catalytiques et Procédés Hybrides

Etudier les mécanismes couplés de transferts et de réaction pour des systèmes catalytiques innovants ou des réacteurs hybrides originaux

Ces recherches sont déclinées en 3 sous-thèmes :

• métrologies et outils numériques pour l’analyse locale de l’hydrodynamique et des transferts en réacteurs polyphasiques gaz-liquide(-solide),
• procédés polyphasiques pour la catalyse homogène,
• design, modélisation et hybridation des réacteurs gaz-liquide à bulles, à lit fixe et structurés.

Hybrider les opérations pour améliorer les procédés (catalytiques) polyphasiques

Réacteur-échangeur de type monolithe pour les réactions catalytiques triphasiques

• Dans le projet ANR Hydromore, nous étudions un réacteur monolithe intensifié pour l’hydrogénation (sélective) de produits bio-sourcés. Les défis sont d’abord technologiques, avec la réalisation d’un réacteur à structure conductrice de chaleur, comportant des canaux à paroi catalytique et des canaux dédiés au refroidissement, et capable d’assurer une distribution homogène des fluides vers les canaux catalytiques.
• Concernant la modélisation, la difficulté réside dans le couplage fort existant entre la réaction, les transferts et l’écoulement qu’il faut décrire à l’échelle du film de lubrification aux interfaces, du canal, et du réacteur.

Réacteur-attriteur pour la lixiviation accélérée de minerais visant à la séquestration de CO²

• Le projet ANR Carmex a su identifier une solution innovante de carbonatation minérale en voie aqueuse, qui couple un procédé d’attrition et un procédé de minéralisation.
• Cette solution a permis de lever un verrou majeur de la minéralisation des silicates : la précipitation en cours de dissolution de couches passivantes à la surface des matériaux. Après avoir mis en évidence l’attrition continue de ces couches de passivation en réacteur autoclave transformé en broyeur à billes agitées, notre objectif est d’étendre ce procédé à des matériaux variés, puis d’étudier son passage en continu et son optimisation.

Evaluer et analyser de nouveaux systèmes pour la catalyse homogène polyphasique

Différentes stratégies d’hétérogénéisation des complexes de coordination sont étudiées pour maintenir le catalyseur dans une phase distincte de celle des réactifs / produits tout en conservant des vitesses de réaction élevées : catalyse biphasique et à phase liquide supportée utilisant les liquides ioniques et catalyse biphasique aqueuse utilisant des ligands polymères amphiphiles.
En collaboration avec le NCL Pune (projet CEFIPRA 3305-2), le LCC Toulouse et le C2P2 Lyon (ANR Biphasnanocat), nous caractérisons l’activité catalytique, la sélectivité et la perte en métal de ces systèmes. Les études utilisent comme réaction modèle l’hydroformylation de l’oct-1-ène en n-nonanal catalysée par le rhodium. Des activités catalytiques élevées (TOF dépassant 500 h-1) ont pu être mises en évidence à la fois pour le catalyseur à phase liquide ionique supportée et le polymère coeur-coquille, grâce à la création d’un environnement favorable, riche en oléfine, à proximité du métal.
Une première étude cinétique complète a été réalisée en liquides ioniques, utilisant des mesures de coefficient de partage des substrat/produit entre liquide ionique et phase organique (par extraction multiple d’espace de tête et analyse chromatographique en phase gazeuse) et des lois de vitesse dérivées des mécanismes réactionnels (selon une approche de type « matrice de Christiansen »).
L’effet du transfert gaz-liquide a été aussi modélisé, en utilisant des réactions à faible vitesse d’agitation et des mesures de transfert sans réaction. Nous avons caractérisé l’influence de l’architecture des polymères coeur-coquille sur l’activité, la sélectivité et la stabilité des catalyseurs résultants, permettant d’orienter leur synthèse. Les travaux en cours sur ces objets visent à approfondir les mécanismes de transfert, et à modéliser la cinétique de réaction, ce qui passe par la connaissance de la composition en réactifs dans ces nanoréacteurs.