Photoréacteur à flux

Concept

La quantité de photons nécessaire pour une réaction photochimique est une moyenne stochiométrique proportionnelle à la quantité de matière première atteinte par le rayonnement. Des photons supplémentaires sont nécessaires pour compenser la perte due à l'absorption lors du passage à travers le matériau de la lampe, du réacteur et des fluides comme par exemple le solvant.  Avec les réacteurs à flux, le cheminement du rayonnement à travers le fluide peut être maintenu court et donc l'absorption faible, de sorte qu'ils sont plus efficaces que les réacteurs à agitation. Le photoréacteur à flux consiste en une lampe à immersion cylindrique installée dans un tube cylindrique générant un espace annulaire. Le fluide de réaction s'écoule à travers cet espace annulaire, un court trajet pour le rayonnement. Cette conception de base est courante à l'échelle du laboratoire. De Dietrich Process System a transféré ce concept en collaboration avec PESCHL Ultraviolet GmbH dans ce photoréacteur à l'échelle de production.

Fonction

Le PhotoFlowReactor est un réacteur à flux pour les réactions photochimiques en phase liquide avec la possibilité de disperser un gaz réactionnel à l'entrée. Les photoréactions peuvent être réalisées entre -30 et +100°C à une pression maximale de + 1 barg. Le débit hydraulique maximal est largement supérieur à 20m³/h, de sorte que le débit opérationnel maximal est déterminé par le temps de séjour minimal nécessaire à la réaction. Le PhotoFlowReactor a été normalisé pour différents volumes de réacteurs directement éclairés jusqu'à 150l. 

Un PhotoFlowReactor continu permet une distribution du temps de séjour beaucoup plus étroite qu'un réacteur à agitation continue, de sorte qu'une plus grande sélectivité peut être réalisée.

Les PhotoFlowReactors peuvent être connectés en série pour augmenter le temps de séjour ou en parallèle pour augmenter le débit. En tant que tels, ils peuvent être exploités en mode continu ou en mode discontinu comme des réacteurs à boucle latérale.

Description technique

PESCHL Ultraviolett GmbH fournit des sources de lumière d'une capacité allant jusqu'à 60kW. Elles disposent d'une purge interne à l'azote pour éviter toute atmosphère dangereuse à l'intérieur de la lampe (1). Bien que les lampes soient très efficaces, elles génèrent une certaine chaleur. Les surfaces chaudes dans le fluide de réaction peuvent entraîner une décomposition chimique et augmenter la température du mélange réactionnel à un niveau indésirable. Pour éviter de telles surfaces chaudes, la lampe à immersion est dotée d'une enveloppe de refroidissement (2) reliée à un circuit de refroidissement externe dont la pression maximale est de +1,5 bar. Afin d'isoler l'enveloppe de refroidissement du fluide de réaction, une enveloppe supplémentaire (3) peut être ajoutée, soit évacuée, soit remplie jusqu'à +2 barg avec un gaz comme l'azote. L'utilisation de différents gaz permet d'absorber les radiations de longueurs d'onde indésirables. Dans ce cas, les radiations peuvent devoir traverser jusqu'à 3 parois de verre, de sorte que leur absorption doit être prise en compte. Comme indiqué ci-dessous, le verre borosilicaté 3.3 est transparent par rapport au VIS et aux UV (A et B). Le verre de quartz présente une gamme de transparence accrue jusqu'à 0,2µm pour les UV (C). Par conséquent, en cas de rayonnement VUV - UV (B et C) - le verre de quartz est utilisé.

Le réacteur en verre QVF® SUPRA-Line est essentiellement un tube(4) avec une enveloppe isolante(5) extérieure évacuée et recouverte d'argent qui réfléchit les radiations vers l'intérieur. Le volume de réaction directement éclairé est fonction de l'espace annulaire entre la paroi intérieure du tube du réacteur (4) et la paroi extérieure de la gaine (2) ou (3). Plus le taux d'absorption du liquide est élevé, plus l'espace annulaire doit être petit. Un espace annulaire plus petit signifie également un volume de réaction plus petit.

Une section optionnelle de dispersion des gaz à l'entrée du réacteur UV-FlowReactor permet un excellent transfert de masse pour les réactions gaz/liquide grâce au garnissage DURAPACK®.

Les raccords pour les milieux de traitement et l'instrumentation sont des QVF® SUPRA-Line. Les raccordements pour les utilités sont de type DIN ou ANSI.

Le photoréacteur à flux de la capacité maximale a une hauteur d'environ 3 m et nécessite une hauteur supplémentaire de 4 m pour l'entretien.