Réacteur millimétrique composé d’une matrice micrométrique pour des réactions catalytiques polyphasiques – MILLIMATRIX

Ces dernières années, le développement des microréacteurs a permis l'optimisation de
certaines réactions catalytiques difficilement envisageables dans des réacteurs
conventionnels. Ces nouveaux outils ont permis également le développement de nouveaux
catalyseurs pour l'intensification de procédés. Dans certaines conditions opératoires, les
réacteurs conventionnels peuvent donc être remplacés par des microréacteurs qui
présentent l'avantage d'être plus compactes, plus flexibles, plus sûrs, tout en assurant
une diminution significative du coût énergétique de certaines réactions chimiques.
Cependant, les microréacteurs présentent encore un certain nombre d'inconvénients
majeurs:
- les microréacteurs ‘conventionnels’ présentés dans la littérature font référence à des
dimensions caractéristiques de quelques centaines de µm (diamètre hydraulique des
canaux). Dans ces conditions, les techniques de fabrication de tels outils ne sont pas
simples et souvent coûteuses (techniques par lithographie). De plus, pendant l'opération
de fabrication de ces microréacteurs, des problèmes de bouchage de canaux peuvent
survenir.
- d'un point de vue catalytique, l'imprégnation de la phase active dans les
micro-canaux, nécessite la déposition d'une couche de « washcoat ». Cette opération est
délicate. En effet, il est difficile d'avoir une couche parfaitement homogène
et stable, ce qui peut entraîner des problèmes de bouchage pendant la réaction chimique.

Dans ce contexte et d’après un précédent brevet, nous proposons dans ce projet d'ANR, le
développement de nouveaux réacteurs millimétriques structurés comme alternative aux
microréacteurs 'conventionnels' dans le cas de réactions catalytiques polyphasiques.
Ce projet (MILLIMATRIX) a déjà été évalué positivement l’année dernière et placé sur la liste complémentaire de l’ANR JCJC.
Nous l’avons donc modifié ‘légèrement’ en accord avec les recommandations des experts.

Les nouveaux réacteurs structurés (MILLIMATRIX) proposé dans cette étude sont basés sur une structure hôte métallique de dimension millimétrique (facilement réalisable), remplie avec une matrice cellulaire nano/micrométrique (une mousse solide de ß-SiC avec ou sans nanofibres de SiC ou Carbone). Le rapport surface sur volume (S/V) sera augmenté non pas en diminuant la taille de la cellule hôte mais en introduisant une mousse solide dont la morphologie sera parfaitement contrôlée et préalablement imprégnée
de la phase active (pas besoin de 'washcoat' dans le cas des mousses de ß-SiC).
Cette technique permet de garder un rapport S/V très élevé tout en assurant une faible perte de charge pour l'ensemble du réacteur.
De plus, la structure ouverte en 3D et interconnectée de la structure mousse permet d'obtenir une
conductivité effective thermique importante par rapport au support catalytique
conventionnel, ce qui représente un avantage sérieux pour des réactions catalytiques à
forte thermicité. Enfin, sachant que le développement de nouveaux systèmes catalytiques
induit une approche multidisciplinaire (synthèse de matériaux, génie- chimique, catalyse
et cinétique), nous proposons dans ce projet une méthodologie, qui tient compte de cette
nécessaire interaction entre les différents domaines. Cette approche sera donc utilisée pour le développement de ces nouveaux réacteurs structurés (MILLIMATRIX) qui couplent dans le même outil les avantages de chaque échelles (milli : usinage facile des réacteurs, micro : propriétés de transport remarquable de la structure mousse, nano : déposition de phase active ex-situ sans besoin de 'washcoat').