Development of an intensified reactor for the production of acrolein
Développement d’un réacteur intensifié pour la production d’acroléine
Résumé
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’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).