Brevet FR2721836A1 — publié le 19960105

DISPOSITIF POUR LE COUPLAGE DE L'ENERGIE RAYONNEE DANS UN PHOTOREACTEUR. L'invention concerne un dispositif pour le couplage de l'énergie rayonnée d'une source de lumière pour l'exécution de synthèses photochimiques. Une réaction photochimique suppose l'absorption d'un rayonnement électromagnétique par un corps participant a la réaction, un sensibilisateur ou un photocatalyseur. Fréquemment seule une partie de la lumière d'une source de rayonnement a large bande, ou émettant de la lumière avec des longueurs d'ondes différentes, peut être utilisée pour la réaction photochimique. Une lumière a courte longueur d'onde peut causer des réactions secondaires non souhaitées ou peut conduire a la destruction des produits-cibles. Une lumière avec des longueurs d'ondes plus grandes n'est pas suffisamment riche en énergie pour l'excitation électronique. A l'intérieur du domaine de longueurs d'ondes approprié pour la réaction photochimique également, certains photons sont absorbés selon un degré plus élevé que d'autres ; des photons qui ne sont pas utilisés pour la réaction photochimique souhaitée peuvent conduire a un échauffement indésirable du mélange réactionnel. L'exécution d'une réaction photochimique déterminée dépend par là, dans une mesure importante, du choix d'une source de lumière appropriée et de la manière d'introduire la lumière de longueur d'onde appropriée. En particulier la bonne qualité d'une réaction photochimique, perçue quantitativement par la conversion de réaction et la sélectivité, peut être influencée par la disposition de la source de rayonnement, sa puissance et sa répartition spectrale. Des progrès dans l'exécution technique de synthèses photochimiques sont a observer de ce fait en parallèle au développement de sources de rayonnement appropriées et aux procédés pour supprimer le rayonnement dont on n'a pas besoin. Aux procédés photochimiques réalisés a echelle industrielle, pour le moment, appartiennent les photohalogénations, les photosulfochlorages, les photosulfooxydations, les photonitrosations, les photoisomérisations, les photohydrodimérisations, les photodésulfonations, les photodésulfonylations et les photooxygénations. On dispose de diverses sources de lumière pour l'exécution de ces synthèses, telles que par exemple des lampes luminescentes a gaz, des lampes incandescentes, des lampes ou des tubes fluorescents ainsi que des lasers. Chacune de ces sources lumineuses possède des propriétés caractéristiques relatives au type de spectre émis (continu ou spectre de raies, maximum dans la région tTV,dans le visible ou dans le proche infra-rouge) et a l'intensité lumineuse. Le spectre ne peut être influencé que dans une mesure limitée par des manipulations au niveau de la lampe, comme par exemple l'utilisation de divers milieux lumineux, de dopages ou de modifications de pression. En outre, une partie du spectre peut être absorbée par des verres filtrants ou des filtres liquides (par exemple des solutions de sels déterminés ou de composants organiques). De telles mesures peuvent causer cependant une réduction de la durée de vie des lampes ou une dépense plus élevée en appareillage et ainsi des coûts plus élevés. Egalement, une augmentation de l'intensité lumineuse n'est possible que d'une manière limitée et en règle générale est liée a une consommation de courant plus élevée et a une augmentation du volume de la lampe. Avec les lasers on peut certes disposer d'un rayonnement intense d'une longueur d'onde souhaitée, mais leur installation et leur fonctionnement sont liés a des coûts si élevés que leur mise en oeuvre, pour des motifs économiques, n'est justifiée que dans des cas très particuliers. Dans les photoréacteurs traditionnels, installes dans l'industrie, les lampes sont pour la plupart intégrées dans le réacteur, pour éviter des pertes de rayonnement dans l'environnement. De ce fait il faut prévoir en règle générale un refroidissement coûteux des lampes, lequel refroidissement ne doit pas influencer de manière défavorable le spectre des lampes. L'encombrement des lampes fait chuter le rendement temps-espace de la réaction, une augmentation d'échelle de l'installation est rendue difficile et n'est souvent réalisable que par des réacteurs montés en parallèle. A la place de sources de lumière actionnées électriquement on peut aussi utiliser le rayonnement solaire pour la réalisation de synthèses photochimiques. Pour l'exécution des réactions photochimiques, des réacteurs transparents de grandes surfaces et volumineux sont utilisés, réacteurs qui sont exposés au rayonnement solaire. Récemment ont été installés également des concentrateurs a focalisation linéaire, un tube de réaction transparent étant traversé par la ligne focale de ces concentrateurs. Le fait que le spectre complet soit introduit dans le réacteur est aussi un inconvénient dans ces photoréacteurs exploités avec la lumière solaire. Un dispositif dont procède le préambule de la revendication 1 est connu d'après JP 5-96 155 A2 (Abregés de brevets du Japon C-l 096, 12 août 1993, vol. 17/No. 436). Dans ce dispositif, la lumière d'une source de lumière est dirigée sur un miroir concave, qui dirige la lumière d'une longueur d'onde déterminée dans une chambre qui est limitée à ses deux extrémités par des plaques transparentes et qui contient un liquide transparent. Il en résulte aussi dans ce cas un encombrement important, en particulier pour la source de lumière et le miroir. L'invention a pour but de fournir un dispositif pour le couplage de l'énergie de rayonnement d'une source lumineuse dans un photoréacteur qui permette de choisir la plage de longueurs d'ondes souhaitée sans utiliser des sources de lumière sélectives particulieres et sans filtrage. La solution a ce problème est obtenue selon l'invention avec les caractéristiques données dans la revendication 1. Le dispositif conforme a l'invention comprend un dispositif holographique focalisant, qui focalise la lumière incidente avec des distances focales différentes selon les longueurs d'ondes qui y sont contenues. Il est de ce fait possible de positionner le photoréacteur a une distance du dispositif holographique telle que la longueur d'onde souhaitée ou la plage de longueurs d'ondes souhaitée soit concentrée à l'intérieur du photoreacteur, alors que toutes les longueurs d'ondes restantes sont concentrées à l'extérieur du photoréacteur. De cette manière on parvient à concentrer sur le volume de réaction du photoréacteur la fraction de longueur d'onde, appropriée a la photosynthèse, de la lumière incidente a large bande, alors que toutes les autres parties du spectre de la lumière ne fournissent qu'une fraction d'énergie relativement faible dans le photoréacteur. Le comportement de transmission sélectif pour les ondes des dispositifs holographiques est en rapport avec le fait que les hologrammes correspondants sont produits pendant que deux rayons lumineux cohérents d'une longueur d'onde déterminée sont superposés sur une couche photosensible. Lorsque de cette manière un hologramme focalisant (tel qu'un hologramme de transmission ou qu'un hologramme de réflexion) est produit, l'hologramme ne focalise au foyer correspondant à la production de l'hologramme que la longueur d'onde qui est égale à la longueur d'onde produisant l'hologramme. Les longueurs d'ondes situées dans une plage spectrale autour d'une longueur d'onde centrale, qui par l'enregistrement peut être choisie dans de larges limites, sont également focalisées, toutefois avec d'autres distances focales. Les techniques pour la production d'hologrammes focalisants sont connues et n'ont pas besoin de ce fait d'être décrites en détail. Comme source de lumière entre en ligne de compte chaque source de rayonnement qui emet la plage de longueurs d'ondes nécessitée pour la photoréaction. En particulier la part de rayonnement direct du soleil présente de l'intérêt. Le dispositif holographique peut produire une focalisation ponctuelle ou linéaire. Il se trouve, comme la source de lumière, a l'extérieur du photoréacteur et dirige de manière sélective la plage de longueurs d'ondes idéale pour la réaction dans le reacteur. Le rayonnement dont on n'a pas besoin tombe à côte du reacteur et peut être dirigé le cas échéant vers une autre utilisation. Dans le cas d'utilisation d'hologrammes de transmission, le dispositif holographique se trouve entre la source de lumière et le réacteur. Dans le cas d'utilisation d'hologrammes de réflexion, le reacteur se trouve entre la source de lumière et le dispositif holographique. Par la variation de la taille du dispositif holographique, l'intensité du rayonnement sur le réacteur peut être réglée. Une augmentation d'échelle est par la tout-à-fait possible en conservant la source de lumière et dans certaines circonstances sans augmentation du volume du réacteur. Le dispositif holographique peut comporter un unique hologramme, ou pour des étendues superficielles plus grandes comporter aussi plusieurs hologrammes se trouvant dans un plan commun. Dans le cas de plusieurs hologrammes les distances focales de tous les hologrammes pour la même longueur d'onde sont égales. En tant que photoréacteurs entrent en ligne de compte divers types de réacteurs qui doivent être adaptés au trajet des rayons du système et aux importances des comportements cinétiques à la réaction. Les lentilles holographiques a focalisation linéaire offrent la possibilité d'utiliser des réacteurs tubulaires à écoulement , qui sont disposés parallèlement au dispositif holographique à des distances variables dans la plage de longueurs d'ondes souhaitée. De cette manière plusieurs réactions photochimiques, sensibles à des longueurs d'ondes différentes, peuvent être exécutees simultanément avec un seul arrangement optique. De nombreuses réactions photochimiques nécessitent de la lumière UV et de la lumière visible, a courte longueur d'onde. Si le soleil est utilisé comme source de lumière, la part importante de rayonnement à grandes longueurs d'ondes non utilisée pour la reaction peut être recueillie par un tube absorbant et servir par exemple a la génération. de chaleur du processus. Le niveau de température que l'on peut atteindre est situé dans le système nettement au-dessus du niveau de température qui s'établit par le refroidissement des lampes dans la technique traditionnelle. On tient à sa disposition l'utilisation d'une unité holographique réfléchissante en combinaison avec un absorbeur à plaques ou l'utilisation d'une telle unité avec un dispositif holographique, assurant une concentration, monte à la suite en combinaison avec un absorbeur tubulaire. La largeur de la fenêtre des longueurs d'ondes réfléchies ou transmises peut être modifiée dans de larges limites. Dans un réacteur transparent suivant la direction d'incidence de la lumière, les substances participant à la réaction peuvent être guidées suivant une direction de courant parallèle ou à contre-courant. La plage de longueurs d'ondes souhaitée, couplée dans le réacteur, peut se commander aussi bien par les propriétés du dispositif holographique, que par le rapport diamètre/longueur du réacteur. Un réacteur place perpendiculairement a l'axe optique peut être construit a l'aide de chicanes correspondantes comme réacteur à couche descendante. Ceci permet de réaliser de courts temps de séjour du mélange réactionnel dans la zone de rayonnement, temps courts qui sont souvent nécessaires pour éviter des réactions consécutives des produits de réaction. L'excitation des molécules par l'absorption d'un photon se produit par contre très rapidement. Si les corps participant à la réaction, les sensibilisateurs ou les photocatalyseurs n'absorbent pas complètement la lumière rayonnée, un dépôt de couche réfléchissante sur les parois du réacteur peut minimiser les pertes de lumière. Par la mise en place d'un autre système holographique sur la fenêtre d'entrée du rayonnement du photoréacteur le parcours des rayons dans le réacteur peut être influencé. De cette manière la distribution du flux rayonné peut, par exemple, être homogénéisée. Des exemples de réalisation de l'invention vont être décrits plus en détail ci-après avec référence aux dessins. Ces dessins montrent Fig.l l'effet directionnel sur la lumière d'un hologramme de transmission focalisant pour diverses longueurs d'ondes, Fig.2 l'effet directionnel sur la lumière d'un hologramme de réflexion focalisant pour différentes longueurs d'ondes, Fig.3 une forme d'exécution avec trois photoréacteurs tubulaires, Fig.4 une forme d'exécution, dans laquelle par l'utilisation d'un hologramme de réflexion le rayonnement de grande longueur d'onde traversant l'hologramme est amené à un absorbeur, Fig.5 une forme d'exécution semblable à celle de Fig.3, dans laquelle la part de rayonnement traversant l'hologramme de réflexion est concentrée par un hologramme de transmission sur un photoréacteur, Fig.6 une forme d'exécution avec un réacteur dont l'axe s'étend dans la direction de l'axe optique du dispositif holographique, le produit étant guidé suivant un courant dans le même sens que la lumière incidente dans le réacteur, Fig.7 une forme d'exécution correspondant à la figure 6, dans laquelle le produit est guidé à contre-courant de la lumière incidente, Fig.8 une forme d'exécution avec un réacteur en forme de caisse,et Fig.9 une forme d'exécution avec un dispositif optique guidant la lumière en amont de la fenêtre d'incidence de rayonnement d'un réacteur, dont l'axe s'étend le long de l'axe optique du dispositif holographique. Sur la figure 1, un dispositif holographique HT est représenté, lequel est agence en tant qu'hologramme de transmission. Le dispositif holographique HT consiste en un disque ou une feuille transparente qui, d'un côté, est muni d'une couche holographique. Cette couche holographique a été éclairee lors de la production de l'hologramme par deux faisceaux cohérents, à l'occasion de quoi un dessin de modulation est engendré, lequel a été durci. I1 est également possible de produire l'hologra=e par des copies établies à partir d'un hologramme-maître, par exemple par un procédé d'impression ou par une copie optique. Le dispositif holographique ET est exposé selon la direction d'incidence à la lumière L, qui est produite soit par une source de lumière naturelle (soleil), soit par une source de lumière artificielle (lampe). Cette lumière polychromatique, qui se compose de parts de longueurs d'ondes multiples, est focalisée du côté sortie opposé au côté entrée. La lumière de longueur d'onde B1 est focalisée avec une distance focale fl et la lumière d'une longueur d'onde B2 est focalisée avec une distance focale f2. Si X1 est plus grand que X2, la distance focale f2 est plus grande que la distance focale fl. La différence des deux distances focales est relativement grande, ce qui est exploité selon l'invention pour entreprendre le traitement du milieu réactionnel de préférence avec une longueur d'onde tout-à-fait appropriée. La lumière incidente peut être concentrée au foyer respectif selon un facteur de 1 à 104. La figure 2 montre une disposition semblable à la figure 1, dans laquelle le dispositif holographique HR est un hologramme de réflexion. La lumière d'une longueur d'onde B1 est focalisée avec la distance focale fl et la lumière de longueur d'onde k2 est focalisée avec la distance focale f2, les deux foyers se trouvant du même côté du dispositif holographique HR que celui où se produit l'incidence de la lumière. Si la longueur d'onde B1 est supérieure à la longueur d'ondes B2 la distance focale fl est plus petite que la distance focale f2. L'hologramme de réflexion transmet une partie de la lumière sous forme de lumière de transmission LT. Les longueurs d'ondes de la lumière de transmission LT sont, pour une part prépondérante, supérieures aux plus grandes longueurs d'ondes ou inférieures aux plus courtes longueurs d'ondes qui sont réfléchies par l'hologramme de réflexion. La figure 3 montre un exemple dans lequel la lumière incidente est focalisée le long de l'axe optique OA par un dispositif holographique HT, qui est un hologramme de transmission, des distances focales différentes étant obtenues pour les longueurs d'ondes X1, B2 et k3. Un réacteur R1, R2, R3 est placé parallèlement au dispositif holographique HT à une distance égale à la distance focale respective. Ces réacteurs sont constitués par des tubes en matière transparente à la lumière, par exemple en verre. Le dispositif holographique ET est à focalisation linéaire dans le cas present, à la manière d'une lentille cylindrique. La part de lumière de longueur d'onde X1 est focalisée dans le réacteur tubulaire R1, la part de lumière de longueur d'onde B2 est focalisée dans le réacteur tubulaire R2 et la part de lumière de longueur d'onde k3 est focalisée dans le réacteur tubulaire R3. Sur la figure 4 est représenté un dispositif holographique HR à focalisation linéaire en tant qu' hologramme de réflexion. Un réacteur tubulaire R est disposé du côté de l'incidence de la lumière de manière telle que le rayonnement réfléchi par le dispositif holographique HR soit focalisé à l'intérieur du réacteur R. La lumière de transmission LT, qui traverse le dispositif holographique HR, tombe sur un absorbeur AB placé derrière le dispositif holographique, lequel absorbeur est traverse par un fluide absorbant la chaleur. De cette manière, le rayonnement thermique, par exemple, qui est contenu dans la lumière LT, est extrait et dissipé. L'exemple de réalisation de la figure 5 correspond d'une manière générale à celui de la figure 4, c'est- -dire que le dispositif holographique HR est un hologramme de réflexion, cependant la lumière de transmission LT est focalisée sur un photoréacteur R2, qui est ici agencé sous forme d'un tube s'étendant parallèlement au dispositif holographique. Un dispositif HD de guidage de la lumière est placé entre le dispositif holographique HR et le photoréacteur R2, et il s'agit pour ce dispositif d'un hologramme a focalisation linéaire, qui concentre le rayonnement de transmission sur le photoréacteur R2. Selon la figure 6, un dispositif holographique HT est prévu en tant qu'hologramme de transmission. Un réacteur tubulaire R est placé derrière le dispositif holographique HT, reacteur dont l'axe s'étend dans la direction de l'axe optique OA du dispositif holographique. Le réacteur R comporte sur son côté frontal tourné vers le dispositif holographique une fenêtre d'entrée du rayonnement F et, pour la partie restante, est opaque à la lumière et est revêtu d'une couche réfléchissante sur sa paroi interne. Le réacteur R est traversé, depuis son entrée de courant E jusqu'à sa sortie de courant A, par le produit à traiter, dans le même sens que celui de la lumière incidente. La longueur d'onde Xs utilisée pour la photosynthèse est focalisée par le dispositif holographique HT sensiblement sur la fenêtre d'entrée F du réacteur R, tandis que la longueur d'onde X1 plus grande et la longueur d'onde X2 plus courte sont focalisées avec des distances focales plus courte ou plus longue. L'exemple de réalisation de la figure 7 correspond à celui de la figure 6, à l'exception du fait que l'entrée E et la sortie A sont échangées sur le réacteur R de sorte que le réacteur R est traversé à contre-courant de la lumière incidente. Dans l'exemple de réalisation de la figure 8, le réacteur R comporte un boîtier en forme de caisse qui présente une fenêtre d'entrée de la lumière F du côté tourné vers le dispositif holographique HT et est muni à l'intérieur de chicanes. Le réacteur de la figure 8 est construit en tant que réacteur à couche descendante. L'exemple de réalisation de la figure 9 correspond à celui de la figure 6, de la figure 7 ou de la figure 8, un dispositif de guidage de la lumière D étant placé sur le trajet des rayons en amont de la fenêtre d'entrée de lumière du réacteur R, dispositif qui transforme le faisceau de réaction convergent incident en une lumière parallèle. Concernant le dispositif de guidage de lumière D, il s'agit également, de préférence, d'un hologramme. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le couplage de l'énergie de rayonnement d'une source de lumière dans un photoréacteur (R) pour l'exécution de synthèses photochimiques, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif holographique focalisant (HT ; ER), qui focalise au moins une part sélective de longueurs d'ondes de l'énergie de rayonnement à l'intérieur du réacteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif holographique (ET ; HR) a des distances focales différentes pour les différentes longueurs d'ondes et qu'un photoréacteur (R1, R2, R3) est placé au foyer ou sur la ligne focale d'au moins l'une des longueurs d'ondes. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérise par le dispositif holographique (HT) comporte au moins un hologramme de transmission. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le dispositif holographique (HR) comporte au moins un hologramme de réflexion. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le dispositif holographique est agencé pour assurer une focalisation linéaire. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le dispositif holographique est agencé pour assurer une focalisation ponctuelle. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la source de lumière et le dispositif holographique sont places à l'extérieur du photoréacteur. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la source de lumière est constituée par un émetteur actionné par un courant électrique. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la part de rayonnement direct du soleil est utilisée comme source de lumière. 10. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé par le fait que, près d' un dispositif holographique de réflexion (HR), un absorbeur est place sur le côté opposé à l'incidence de la lumière pour transformer le rayonnement (LT) traversant le dispositif holographique en chaleur de processus. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, et 4 à 9, caractérisé par le fait que derrière le dispositif holographique de réflexion (HR) est placé un dispositif holographique de transmission focalisant (HD), qui focalise le rayonnement (LT) traversant le dispositif holographique (HR) sur un autre photoréacteur (R2). 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le réacteur (R) est agencé sous forme tubulaire et est orienté avec son axe le long de l'axe optique (OA) du dispositif holographique (HT). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le réacteur (R) est traversé par le mélange réactionnel dans le même sens que la lumière incidente. 14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le réacteur (R) est traversé par le mélange réactionnel à contre-courant de la lumière incidente. 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le photoréacteur (R) est orienté parallèlement à l'axe optique (OA). 16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que le réacteur (R) est réalisé sous forme cylindrique ou cubique et est orienté perpendiculairement à l'axe optique (OA) du dispositif holographique et par le fait que le mélange réactionnel est guidé dans le photoréacteur de manière à croiser la direction du rayonnement. 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé par le fait que le photoréacteur (R) est realisé à l'aide de chicanes en tant que réacteur à couche descendante. 18. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la paroi interne du photoréacteur (R) est recouverte d'une couche réfléchissante pour éviter des zones sombres. 19. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que dans la fenêtre d'entrée du rayonnement (F) du photoréacteur (R), ou devant cette fenêtre, est place un élément de guidage de la lumière (D) qui influe sur le trajet du rayonnement dans le réacteur. 20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que l'élément de guidage de la lumière (D) est une lentille. 21. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que l'élément de guidage de la lumière(D) est un autre dispositif holographique.