L'objet de cette thèse est la conception, le développement et la caractérisation d'un réacteur micro-ondes en continu pour mener tout type de réactions chimiques à températures élevées de manière fiable et dans des conditions optimisées. Le développement de ce réacteur a tout d'abord nécessité la caractérisation diélectrique et magnétique des matériaux et milieux utilisés. La simulation numérique a ensuite été utilisée afin de prédire les distributions de champ et température au sein des matériaux. L'interaction entre les ondes et les différents milieux a été finement étudiée. Elle démontre non seulement l'influence de la nature diélectrique du milieu réactionnel et du ratio volumique du fluide dans le réacteur sur le chauffage micro-ondes, mais aussi celle des dimensions de l'applicateur et de la disposition du réacteur dans ce dernier. L'hydrodynamique a également été introduite dans la simulation permettant de prédire les profils de température dans le réacteur en fonctionnement continu. L'ensemble des résultats numériques a fait l'objet de validations expérimentales qui ont aussi permis d'affiner le modèle thermique de l'ensemble conçu. Au final, une réaction de diestérification a été mise en œuvre et démontre l'efficacité thermique et chimique du réacteur. Au-delà de ce prototype, cette thèse établit un schéma général de conception d'un procédé chimique continu sous micro-ondes en ordonnant les étapes, respectant les règles clés de l'électromagnétisme, optimisant la propagation des ondes et les performances thermiques du système. / The aim of this thesis is the development and characterisation of an intensified continuous microwave reactor for green chemistry. The development of this reactor required, at first, the characterisation of the dielectric and magnetic properties of the used materials. A numerical simulation was then used to predict the field and temperature profiles within the materials. The influence of different parameters on the microwave heating was also studied, such as the influence of the dielectric nature of the reaction medium, the ratio of the fluid in the reactor, the arrangement of the reactor in the applicator and the size and shape of the latter. Hydrodynamics were also taken into account in the simulation to predict the temperature profiles in the reactor. All the numerical results were validated experimentally. Experimental results also made it possible to refine the thermal model of the reactor. In the end, an esterification reaction was carried out and it proved the thermal and chemical efficiency of the designed reactor. Beyond this prototype, this thesis establishes a general scheme for the design of a continuous chemical process under microwaves whilst following the key rules of electromagnetism and optimising the wave propagation and the thermal performance of the reactor.

L’oxydation catalytique du propylène en acroléine en phase gazeuse est un procédé complexe et fortement exothermique, faisant intervenir de nombreuses réactions consécutives et compétitives. Une des clés pour maximiser le rendement en acroléine est le contrôle rigoureux de la température du mélange réactionnel ; il s’agit de lever les limitations aux transferts thermiques, afin d’évacuer l’importante chaleur de réaction. Un échangeur-réacteur milli-structuré a ainsi été retenu pour intensifier le procédé. En effet, de par la taille millimétrique de ses canaux ainsi que le choix d’un dépôt du catalyseur industriel sur les parois internes de ceux-ci, les transferts de chaleur et de matière sont améliorés. Afin de réaliser ce dimensionnement, une étude préliminaire de la cinétique des réactions a été réalisée et un modèle cinétique a été déterminé. Ce dernier a été utilisé afin de dégager les conditions optimales de fonctionnement d’un canal réactif (température, nombre de canaux composition), et afin d’extrapoler ces conditions sur un agencement structuré des canaux réactifs. La forme des chambres de distribution et de collecte du réacteur-échangeur ainsi que sa structure ont été déterminées et optimisées afin d’atteindre un rendement élevé par un contrôle optimal de la température, de minimiser la maldistribution des fluides et d’assurer la sécurité du procédé. Ce réacteur-échangeur intensifié, à la géométrie complexe, a finalement été fabriqué par impression 3D, au sein du projet français FAIR (Fabrication Additive pour l’Intensification des Réacteurs) / The catalytic oxidation of propylene to acrolein is a complex and highly exothermic process carried out in the gas phase, involving consecutive and competitive reactions. To maximize the efficiency of this process, the temperature needs to be rigorously controlled and the thermal transfers must be maximized, in order to evacuate the heat released by the reactions. A millistructured reactor-exchanger has thus been chosen to intensify this process. Indeed, millimetric channels washcoated with an industrial catalyst provide intensified heat and mass transfer. To carry out this design, a preliminary study of the kinetics of these reactions was carried out and a kinetic model was determined. This model was then used to identify the optimal operating conditions of a single reactive channel (temperature, number of channels, composition), and to extrapolate these conditions for the design of an intensified reactor exchanger. The shape of the distribution and collect chambers of these reactive channels were then optimized to minimize maldistribution, maximize the acrolein yield with an optimal control of the temperature, and to ensure the safety of the process. This intensified reactor-exchanger with complex geometry was finally manufactured by 3D printing, within the French project FAIR (Additive Manufacturing for the Intensification of Reactors)

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). / 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).

De nos jours, les limites du réacteur batch, outil conventionnel de l'industrie de la chimie fine, en termes de transfert thermique et de transfert de matière, conduisent à envisager le passage en continu de réactions dont les problématiques d'exothermie et de rapidité rendent leur industrialisation difficile. Les réacteurs-échangeurs compacts sont un exemple de technologies intensifiées continues alliant les performances d'un échangeur de chaleur couplées à un bon mélange ainsi qu'à un comportement de type piston offert par le design spécifique de leurs canaux. L'objectif de ces travaux est de démontrer la faisabilité de la transposition en continu d'une réaction fondamentale de la chimie des silicones, recensée comme l'une des plus exothermiques, dans un réacteur-échangeur intensifié conçu dans un matériau innovant : le Carbure de Silicium. La démarche a consisté à étudier les différentes phases de la réaction à plusieurs échelles afin de construire un modèle cinétique. L'exploitation de ce modèle a permis de définir les conditions optimales de la réaction permettant de répondre aux contraintes industrielles en termes de conversion, de consommation de catalyseur et de production industrielle. Enfin, une démarche d'optimisation et d'extrapolation du réacteur a été mise en place pour le pilotage industriel de la réaction étudiée. / Nowadays in the field of fine chemistry, limitations of conventional batch reactors in term of heat and mass transfer lead to increase the interest in the transposition of reactions from batch to continuous mode. It is particularly the case of fast and highly exothermic reactions as they raise safety issues in batch reactor. Compact heat-exchanger reactors (HEX reactor) are an example of continuous intensified technologies as they offer the heat transfer performances of heat exchangers coupled with high mixing and plug-flow behaviour, thanks to specific designs of channels. The aim of this work is to demonstrate the feasibility of the transposition of a fast and highly exothermic hydrosilylation reaction, a fundamental method for the industrial synthesis of organosilicon compounds, into a continuous heat-exchanger reactor made of a very innovative material: the silicone carbide. The methodology adopted consists in investigating hydrosilylation kinetics studies at different residence time scales. Then kinetics modelling and optimisation allow defining the features for process industrialization. Industrials objectives in terms of conversion and catalyst reduction are reached with a shorter time. Moreover the outstanding heat transfer performances of the HEX reactor, which entirely absorb the high exothermicity, successfully demonstrate the feasibility of the transposition into continuous

L'objectif de cette thèse est de proposer un réacteur continu et intensifié pour la transformation d’huiles végétales de récupération en produits ou intermédiaires qui seront ensuite utilisés ou formulés en applications destinées au BTP. Ce travail s’inscrit dans le cadre du FUI AGRIBTP, projet de recherche collaboratif qui a pour finalité la création d'un outil industriel de valorisation des sous-produits de l'agro-industrie. Le réacteur se veut pluri-réactionnel, c’est-à-dire adapté et efficace pour réaliser les réactions de transestérification ou d’estérification par le méthanol ou par le glycérol, pour une consigne de production fixée à 100 kg/h. Pour parvenir à cet objectif, une revue de la littérature a permis de dégager une liste de technologies de réacteurs adaptés à ces réactions. L’analyse comparative de ces systèmes a conduit à sélectionner trois types de réacteurs intensifiés existant dans le commerce et qui ont été ensuite testés expérimentalement: les réacteurs microstructurés (type Corning®), les réacteurs micro-ondes et les réacteurs pulsés à chicanes (type NiTech®). De bonnes conversions sont obtenues pour les réactions de transestérification et d’estérification par le méthanol, montrant une meilleure efficacité de ces réacteurs intensifiés par rapport aux réacteurs conventionnels; en revanche les résultats sont encore insuffisants pour l’estérification avec le glycérol en raison de limitations en température. Concernant le réacteur micro-ondes, les excellents résultats rapportés dans la littérature sont à modérer en raison d’une imprécision de mesure de la température. La technologie de réacteurs pulsés à chicanes a finalement été retenue : leur flexibilité, l’indépendance entre le débit et le mélange généré, et enfin leur diamètre suffisamment étendu pour ne pas générer de blocage éventuel dû à l’encrassement du réacteur par la matière entrante sont les principaux arguments qui ont guidé ce choix. Le système disponible construit en verre a tout de même montré ses limites en montée en température et en pression et il a donc été envisagé d’étoffer nos investigations dans des gammes de fonctionnement plus larges. Ainsi une collaboration avec le laboratoire TNO de Delft, aux Pays-Bas a permis d’avoir accès à un réacteur pulsé à chicanes en acier inoxydable. Les résultats obtenus pour la réaction d’estérification par le glycérol - qui n’offrait pas jusqu’à présent des données concluantes - sont satisfaisants, et même de qualité supérieure comparés à ceux obtenus avec un réacteur tubulaire hélicoïdal lui aussi pulsé. Parallèlement à ces études, des simulations numériques des écoulements dans le réacteur ont permis de proposer des améliorations de la forme des chicanes, celle-ci étant déterminante pour la bonne capacité de dispersion liquide-liquide des réactifs immiscibles et la qualité du mélange. Ces simulations ont été comparées à des mesures de vitesses obtenues sur un pilote expérimental conçu pour permettre la visualisation par technique laser des écoulements dans un élément du réacteur à chicanes. Pour terminer, l’extrapolation des résultats obtenus sur les pilotes étudiés à une échelle de production de 100 kg/h a été initiée, aboutissant à la proposition d’un procédé permettant la production sélective de monoglycérides via l’estérification par le glycérol, mais également la fabrication de biodiesel par la transestérification, incluant un réacteur intensifié pulsé dont la géométrie de chicanes a été optimisée, et ce afin de répondre à l’objectif initial de la thèse. / The objective of this thesis is to propose a continuous and intensified reactor to transform waste cooking oil into products that will be used in applications in the building and public works sector. This work is part of the FUI AGRIBTP, a collaborative research project whose finality is to the creation of an industrial tool for the reuse of co-products from agroindustries. The reactor must be able to handle transesterification and esterification (with methanol or with glycerol) reactions efficiently with a total flow rate of 100 kg/h. To achieve this objective, a literature review has identified a list of suitable reactor technologies for these reactions. The comparative analysis of these different technologies has led to the selection of three types of intensified reactors microstructured reactors (Corning® type), microwave reactors and oscillatory baffled reactors (NiTech® type). The performance of these reactors for transesterification and esterification reactions has then been investigated experimentally. High conversions have been obtained for transesterification and esterification with methanol reactions, thereby showing the improved performance of these intensified reactors compared with conventional reactors; however results obtained with esterification with glycerol reaction are still rather low due to limitations in operating temperature. Concerning the microwave reactor, the excellent results previously reported in the literature should be taken with care because of the inaccuracy of temperature measurements, as proven in this work. The oscillatory baffled reactor technology has been selected has the most industrially viable equipment for the considered reactions. The flexibility of this reactor, the independency of the flow rate and mixing, as well as the diameter ,which is large enough to avoid fouling caused by the quality of the feed line, are the main reasons for this choice. The commercial available system, built in glass, has nevertheless shown limitations in terms of operating temperature and pressure. As a result, further work has focused on reactor operation in a wider range of operating conditions. To do this, a collaboration with the TNO laboratory in Delft, Netherlands, was set up in order to investigate reaction performance an oscillatory baffled reactor made of stainless steel. The reaction performance obtained for esterification with glycerol is more than satisfactory, being significantly greater that that obtained in the glass Nitech reactor and even of higher quality compared to that obtained with a oscillatory helicoidal tubular reactor. In parallel to these studies, CFD simulations of flow in the reactor have enable the investigation of new baffle designs, which play a major role in the capacity to generation liquid-liquid dispersions of the immiscible reactants and in the quality of the mixing. These simulations have been compared with velocity measurements and flow patterns obtained in a transparent experimental rig using Particle Image Velocimetry. Finally, the results obtained on the pilot-scale rigs have been used to size a the oscillatory flow reactor for a total flow rate of 100 kg/h, which would be dedicated to the selective production of monoglycerides by esterification with glycerol reaction and also biodiesel production by transesterification reaction.

Dans un contexte de croissance des diagnostics préventifs, la demande en produits de contraste augmente, tandis que leur prix de revient industriel doit être revu à la baisse pour des raisons de compétitivité. La voie de synthèse d’un produit de contraste à rayons X, molécule iodée aux branchements hydrophiles, comporte plusieurs réactions : certaines sont limitées par le transfert de matière (milieu réactionnel polyphasique) ou par le transfert de chaleur (réaction exothermique) tandis que d’autres sont limitées cinétiquement. Les performances des équipements continus intensifiés permettent de favoriser les phénomènes de transfert de matière et de chaleur, tout en garantissant une bonne sélectivité et reproductibilité. La chaine de synthèse globale est repensée en vue d’un passage en mode continu intensifié et les réactions à étudier en intensification locale sont classées par ordre de priorité selon leur potentiel d’intensification. A partir d’une approche combinée alliant résultats expérimentaux et simulation, des modèles réactionnels peuvent être construits pour orienter les essais, afin de converger rapidement vers des conditions opératoires menant aux performances souhaitées. La nouvelle voie de synthèse proposée mettra ainsi en jeu une alternance entre étapes continues et discontinues, ce qui induit des difficultés en termes de gestion de procédé. Une voie de synthèse entièrement soluble permettrait de contourner les limitations d’intensification dues à la présence de solides et d’envisager la chaine de synthèse globale en continu / Preventing diagnostics are increasing and so is the demand for contrast media while its industrial cost needs to be decreased for competitiveness reasons. The synthesis route for a contrast media used in X-ray medical imaging, an iodinated molecule with hydrophilic functional groups, is made of several reactions: some of them are limited by heat transfer (exothermic reactions) or/and mass transfer (multiple-phase media) while others are kinetically limited. The use of continuous intensified equipment leads to enhanced heat and mass transfer performances while keeping good selectivity and reproducibility. The synthesis route is globally modified in the first place in order to shift from batch to continuous intensified and the reactions are classified for local intensification studies. A combined approach based on experimental measurements and simulation enables the building of reaction models which can be used as a guideline for the experiments towards finding the operating conditions that lead to the desired performances at laboratory scale. The new synthesis route production is based on an alternation between continuous and discontinuous steps, which leads to difficult production management. New prospects are created with a new hydrophilic synthesis route, where the limitations for shifting from batch to continuous due to the presence of solids are solved and the whole synthesis route can be transferred from batch to continuous mode

L’étude traite la réalisation et la validation d’un microréacteur destiné à l’électrosynthèse organique. Le système électrochimique modèle est l’oxydation du 4-méthylanisole en 4-méthoxy-benzaldéhyde-diméthylacétal. La simulation du comportement théorique d’un réacteur électrochimique travaillant à haute conversion pour l’oxydation du 4-méthylanisole a permis de déterminer les conditions pour lesquelles le réacteur apporte un meilleur rendement. Les essais expérimentaux effectués sur un microréacteur travaillant en continu et à haute conversion ont montré l’influence de la concentration de l’électrolyte support KF sur le rendement de la réaction. Pour un débit optimal de 0,2 ml min-1, une concentration initiale en réactif de 0,1 M et en appliquant un courant égal à 85% du courant théorique nécessaire à convertir totalement le réactif en une seule passe dans la cellule, la sélectivité atteint 86% (pour une conversion de 95%), alors qu’elle n’est que de 68% dans le procédé BASF. / This work concerns the realization and the validation of a microstructured reactor for organic electrosynthesis. The electrochemical reaction is the oxidation of 4-methylanisole to 4-methoxy-benzaldehyde-dimethylacetal. Theoretical behaviour simulations of high conversion thin-gap flow cell of the 4-methylanisole show conditions for which the reactor has best productivity. The experimental tests carried out on high conversion thin-gap flow reactor showed the influence of the supporting electrolyte (KF) concentration on the reaction yield. For an optimal flow rate of 0.2 ml min-1, an initial reagent concentration of 0.1 M and a current equal to 85% of the theoretical current necessary to convert all reagent, it is possible to reach selectivity of 86% with single pass high conversion (95%) , whereas selectivity on BASF process doesn’t exceed 68%.

Il est démontré que dans de nombreux procédés de transformation de la matière, les dégradations entropiques (et les consommations énergétiques qui en découlent) peuvent être minimisées en répartissant les flux d’énergies dans le volume plutôt qu’aux bornes du système (exemple de la distillation diabatique). Cependant la réalisation et la gestion de profils thermiques contrôlés (tels que des gradients thermiques et des étagements de température maîtrisés) dans les appareils compactes ne sont pas très souvent réalisées parce que souvent complexes et coûteuses (batterie d’échangeurs, gestion des fluides). Cette difficulté technologique affecte non seulement les performances énergétiques et les efficacités de transformation des appareils classiques de grandes tailles, mais aussi les réacteurs microstructurés dont les faibles dimensions internes associées à la grande conductivité thermique du matériau constituant les parois du contacteur entraînent souvent l’homogénéité thermique de l’appareil au détriment de la gestion des gradients thermiques. Par ailleurs, les garnissages utilisés dans les séparateurs sont de formes très complexes dans lesquels il est difficile de faire à la fois de la structuration thermique et hydrodynamique. Les systèmes microstructurés basés sur des géométries à plaques semblent offrir une possibilité intéressante de structuration thermique (contrôle et modulation de flux énergétiques pour l’obtention d’un profil thermique spécifique) et hydrodynamique (contrôle des transferts de matière, des temps de séjour, des pertes de charges etc.). Dans cette thèse, les réflexions menées sur ces verrous technologiques ont conduit à la conception d’un microcontacteur à film tombant. Ce microprocédé a été caractérisé d’un point de vue thermique et hydrodynamique. Une étude de faisabilité sur le potentiel de ce microcontacteur à séparer un mélange binaire d’alcools (ethanol/n-propanol) a été menée, ses performances ont été expérimentalement évaluées d’un point de vue qualitatif (pureté du distillat et du soutirat) et quantitatif (rapports des débits entrant et sortant), mais aussi en intégrant la notion d’exergie compositionnelle, également appelée puissance de séparation / In many processes of mass transformation, entropic degradations (and energy consumptions which results from) can be minimized by distributing heat flows in all process volume rather than boundaries (example: diabatic distillation). However it is difficult to control and impose thermal gradients on small scales because of their complexity and high costs (exchangers, fluids). This technological difficulty affects not only the performances and energy efficiencies of conventional devices (macro scales) but also small devices (e.g. microstructured reactors). Indeed, compact equipments with small dimensions generate some difficulties. First, the driving force inducing liquid flow by gravity is very small. Second, small size and high thermal conductivity of the material induce thermal homogeneity instead of managing temperature gradients in the system. In many separators, the used packing material has complex forms that make difficult thermal and hydrodynamic structurations. Microstructured devices, based on microchannel plate technologies, offer an interesting possibility of thermal structuration (control and modulation of energy fluxes) and hydrodynamics control (e.g. mass transfer, residence times, pressure drop etc). In this thesis, many discussions on these technological barriers led to the design of a new microstructured falling film contactor. The aim of the present work is to study heat transfer phenomena and liquid hydrodynamics in this device and, investigates the separation feasibility of a binary mixture of ethanol and n-propanol. Microcontactor performances were experimentally evaluated in terms of quality (bottom and top concentrations) and quantity (bottom and top flow rate ratios). To fully characterize contactor performances, the separation power concept (also called compositional exergy) was integrated

Ce manuscrit a pour but d'étudier un nouveau dispositif générateur de cavitation dont le potentiel favorable à l'intensification de réactions chimiques est évalué. Ce dispositif est constitué d'une plaque mobile qui frappe un liquide contenu dans un réacteur. L'impact génère une forte augmentation de pression dans le milieu suivi d'une dépressurisation. Nous montrons que la couche de gaz/vapeur piégée entre le piston et la surface du liquide influence les pics de pression et les fréquences générées dans le milieu. La visualisation à l'aide d'une caméra rapide montre que la dépressurisation active les sites de nucléation à l'origine des bulles de cavitation qui grandissent et implosent en générant occasionnellement des jets de grande vitesse. Nous étudions aussi la réponse de bulles préexistantes. Nous identifions un rayon de bulle critique qui dépend de la hauteur d'impact, de la pression extérieure et des caractéristiques du piston. Les bulles dont le rayon initial est supérieur à la valeur critique implosent au moment de l'impact, tandis que les petites bulles ne sont activées qu'après (sous tension). Des évolutions de pression différentes sont observées après l'impact en fonction de la présence/absence de grandes bulles. Nous étudions enfin l'oxydation du phénol en montrant que l'impact sur l'eau pure est incapable de générer des espèces radicalaires responsables de la dégradation. En ajoutant du peroxyde d'hydrogène comme oxydant, la molécule est décomposée sous certaines conditions. En général, la quantité d'oxydant requise pour déclencher une oxydation significative diminue lors de l'augmentation de l'intensité de l'impact sur lequel dépend le taux de dégradation. / This manuscript aims at characterizing a new device based on a plate impact on a liquid surface to generate cavitation and evaluate its potential to induce chemical reactions. The device is composed of a reactor containing a liquid that a piston hits due to pressure difference. This impact generates a strong and uniform pressure increase in the medium followed by a depressurization. We show that the gas/vapor layer trapped between the piston and the liquid free surface influences the pressure peaks and frequencies generated in the medium. High-speed camera visualization shows that depressurization activates nucleation sites leading to bubble appearance in the solution. Bubbles expand and collapse intensively generating high velocity jets under some conditions. We also investigate the response of pre-existing bubbles. We identify a critical bubble radius that depends on the impact height, external pressure and piston’s characteristics. Bubbles with an initial radius larger than the critical one collapse at the moment of impact while smaller bubbles are only activated after it (under tension). Significant differences are observed in the pressure recordings after the impact depending on the presence/absence of large bubbles. We finally study the oxidation of phenol. We show that impacting on pure water is incapable of generating radical species responsible of the degradation. By adding hydrogen peroxide as an oxidant we show that the molecule is decomposed under certain conditions. In general, the amount of hydrogen peroxide required to initiate a significant oxidation decreases when increasing the intensity of the impact on which the degradation rate mainly depends.

Le couplage de la réaction et de l’échange thermique au sein du même appareil est intéressant lors de la mise en oeuvre de synthèses exothermiques. L’appareil étudié est un échangeur/réacteur fonctionnant en continu dont la structure est basée sur celle des échangeurs de chaleur à plaques. Le passage du batch au continu n’est pas sans difficultés et une des manières d’intensifier les transferts tout en conservant un temps de séjour suffisant (régime laminaire) est de structurer, en 2D, le chemin réactionnel. Les caractérisations expérimentales et numériques de différentes géométries de canaux ondulés ont permis de comprendre les mécanismes qui influencent les performances thermohydrauliques et le comportement des écoulements. Des corrélations reliant les critères de performance au nombre de Dean ont été établies et la démarche d’optimisation d’une géométrie en fonction des contraintes d’utilisation a pu être définie. Les premiers pas vers l’extrapolation font l’objet de la dernière partie de ces travaux et présentent un enjeu important pour le développement industriel de ces technologies. Les résultats de cette étude ont souligné l’intérêt d’un paramètre adimensionnel caractéristique : le nombre de Dean interne, qui permet de conserver les performances thermo-hydrauliques et donc de prédire leur évolution lors du processus de changement de taille. / Coupling reaction and heat transfer in the same unit is an interesting way to perform exothermic reactions. The studied apparatus is a continuous heat exchanger/reactor. Its structure is based on plate heat exchangers’ one. The main difficulty when transposing batch reactions to continuous ones is to intensify the heat and mass transfers and maintain at the same time enough residence time (laminar regime). A way to remove this barrier is to structure in two dimensions the chemical path in order to obtain a wavy channel. The experimental and numerical characterizations of several wavy geometries allowed us to understand the mechanisms’ impact on the thermo-hydraulic performances and on the flow behaviour. The performances criteria have been correlated to the Dean number and the optimisation of the geometry has been made according to industrial specifications. Finally, the scale-up procedure has been studied. Our results showed that the conservation of a characteristic number: the internal Dean number allows the prediction of the performances and of the flow behaviour when the characteristic size of the wavy channel increases.