Intensification de la synthèse de pigments - e
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Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes 26 janvier 2009 INTENSIFICATION DES PROCEDES Laurent FALK, [email protected] Intensification de la synthèse de pigments Une réaction de couplage diazonium a été réalisée dans des réacteurs classiques de laboratoire et dans un microréacteur. Le principe de cette réaction liquide-liquide est présenté sur la figure suivante : Le réactif principal A, initialement dans la phase organique (indiqué par A org), doit d’abord être transféré vers la phase aqueuse (sous forme A aq), où il subit une réaction très rapide de premier ordre pour se transformer en B, le produit que l’on cherche à obtenir. Cependant, le réactif (A org) peut subir une réaction lente de dégradation au sein de la phase organique, de premier ordre également, pour donner un parasite C. Les constantes cinétiques des réactions sont respectivement k1 et k2. On souhaite augmenter le rendement de la synthèse défini par la quantité de B produite par unité de A initial en phase organique. 1- Quelle est la principale difficulté de la synthèse que l’on souhaite effectuer ici ? Pour cela, décrivez les différents phénomènes impliqués et leur impact potentiel sur le rendement. 2- On définit 3 temps caractéristiques suivants : Temps caractéristique de réaction 1 : t r1 = 1 k 1 Temps caractéristique de réaction 2 : t r 2 = 1 k 2 Temps caractéristique de transfert de matière : t mat = 1 k l a , où (kl a) est le coefficient de transfert de matière entre les deux liquides et a l’aire interfaciale par unité de volume de mélange Indiquer quels sont les processus en série et les processus parallèle. Sachant que pour deux processus - en série, le temps global est t global = t1 + t 2 - en parallèle, le temps global est 1 t global = 1 t1 + 1 t 2 Donner l’expression du temps caractéristique global de la conversion du réactif (A org) 3- Quelles sont les possibilités d’action pour intensifier l’opération ? 4- Cette synthèse a tout d’abord été réalisée dans un ballon de 50 mL, avec un agitateur magnétique, en testant trois différentes vitesses d’agitation (sans agitation, faible agitation et forte agitation), donnant respectivement des rendements de 20 %, 43 % et 80 %. La réaction a ensuite été testée dans un microréacteur de 200 µm de diamètre avec un temps de passage de 2,3 secondes donnant un rendement supérieur à 99 %. Les rendements obtenus dans ces différents systèmes sont représentés ci-dessous : microréacteur Rendement en produit B (%) 100 80 Ballon, forte agitation 60 40 Ballon, faible agitation 20 Ballon, sans agitation 0 0 20 40 60 80 100 Temps (mn) Sans faire aucun calcul, en vous basant sur la figure ci-dessus, classer du plus lent au plus rapide les 3 phénomènes suivants : réaction A donne C, réaction A donne B et transfert de matière liquide-liquide. 5- Pour la suite, on considèrera que la réaction principale dans la phase aqueuse est infiniment rapide devant les autres phénomènes. Dans le cas où les volumes (débits pour le micro-réacteur) de phase organique et de phase aqueuse sont égaux, le rendement de réaction est donné par l’expression suivante : 1 −t Y (t ) = 1 − exp 1 + t mat t r 2 (1 t mat + 1 t r 2 ) On a pu estimer la constante cinétique de la réaction secondaire à 1/k2=0.05 min Estimer les valeurs du coefficient de transfert de matière entre phases kLa (en min-1) pour le ballon en fonction de l’agitation (sans, faible, forte) et pour le microréacteur. Discuter les résultats 6 – Sachant que la conductance kL peut être considérée constante est égale à 0.00012 m/min, estimer les valeurs de l’aire interfaciale a dans le ballon et dans le microréacteur en écoulement laminaire. 7 – Pour créer l’aire interfaciale nécessaire au transfert, il faut dissiper une certaine puissance spécifique d’agitation ε (W/kg de fluide) telle que k La ε 2 / 5 . Estimer l’augmentation relative de puissance d’agitation (par rapport au cas sans agitation) qu’il est nécessaire de développer pour obtenir les rendements à faible et forte agitation et en microréacteur. Discuter les résultats.
