Conception et mise en œuvre de réacteurs photochimiques intensifiés

This work aims at improving the knowledge on photochemical reactor engineering in order to propose a methodology to implement photochemical reactions in new continuous intensified technologies. Synthetic organic photochemistry is an extremely powerful method for the conversion of simple substrates into complex products, opening new perspectives. As photochemical substrate activation often occurs without additional reagents, the formation of by-products is also minimized, making photochemistry even more attractive in the modern context of Green Chemistry. The main contributions of this thesis are to finely analyze the benefits of the microreactor technology for performing photochemical reactions, and to propose methodology to transpose photochemical reactions from lab scale to industrial scale. Firstly, a numerical modeling has been proposed to describe the coupling between the different physical phenomena occurring inside a microphotoreactor (radiative transfer, mass and momentum transfers, photochemical kinetic). A formulation of the equation system based on dimensionless numbers has been used to access a generic view, independent of the scale of the experiment. For that, the dimensionless numbers classically encountered in chemical reaction engineering have been adapted to account for photochemical reaction specificity. Four dimensionless numbers controlling the performances at the microreactor’s outlet have been outlined: the Damköhler I and II numbers, the absorbance inside the medium and the competitive absorption factor. From these numbers, a map describing the different zones in which a microphotoreactor can operate has been established. A special attention has been then paid on the cases where the conversion at the microreactor’s outlet is significantly reduced due to the occurrence of a photon competitive absorption between several species. The influence of this competition phenomenon is directly linked to the Damköhler II number which assess for the transverse mixing efficiency. In a second time, various experimental tools and set-up have been developed to characterize photochemical reactors (measurement of the photon flux density received by actinometry) and to implement online analysis by spectrophotometry. A “capillary tower” and a “spiral” microphotoreactors have been developed. Both these microphotoreactors have enabled to operate in a wide range of operating conditions (photon flux, residence time) so as to validate numerical simulations. For that, three photochemical systems have been implemented: an intramolecular [2+2] photocycloaddition and two photochromic systems. The experimental results obtained have confirmed the relevancy of the numerical observations, whether some mass transfer limitations occur or not. Moreover, the feasibility to use a microphotoreactor as a tool for acquiring kinetic data on photochemical reactions has been demonstrated. Finally, based on the numerical and experimental observations, a detailed flow chart has been built to rapidly determine the key parameters for scaling a microphotoreactor (residence time and photon flux density). Some criteria have been proposed to characterize the microphotoreactor: the productivity and, more originally, the global energetic yield (including the photonic efficiency).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)