Brevet FR3087351A1 — publié le 20200424

Synthèse hors équilibre haute et basse température par synthèse spray flash L'invention concerne un dispositif et un procédé de synthèse chimique de produits organiques, inorganiques, métalliques et l'un quelconque de leurs mélanges, par une technique d'évaporation instantanée ou évaporation flash ou encore dénommée Synthèse Spray Flash (ou Le besoin industriel est aussi satisfait par l'utilisation de divers produits qui sont tout simplement moins bons du point de vue de leurs qualités intrinsèques, à l'exemple des oxydes obtenus par les techniques sol-gel dont la séparation des impuretés reste ainsi toujours un problème, de même que la nécessité de faire un traitement thermique post-synthèse pour les cristalliser de manière satisfaisante, ce qui a pour effet de faire grossir les particules et de les agglomérer fortement (frittage). Les limites des techniques de synthèses actuelles sont l'obtention de produits de moins bonnes qualités (du point de vue de leur cristallinité, taille des particules obtenus, et/ou présence d'impuretés, etc.) et avec a fortiori des rendements qui demandent à être améliorés. Ces techniques demandent en plus dans certains cas des étapes de purifications additionnelles longues et donc coûteuses, 2 En outre, la plupart des techniques existantes, du fait de leurs limitations (notamment avec l'impossibilité de contrôler localement finement la réaction) ne permettent pas de fabriquer de bons produits ou les produits voulus, en particulier lors d'une synthèse "one pot". 5 BUTS DE L'INVENTION L'invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir un dispositif et un procédé de préparation continue ou discontinue de composés notamment sous forme de particules, et en particulier de particules de taille micrométrique, 10 submicrométrique ou nanométrique. L'invention a notamment pour but de résoudre le problème technique consistant à faciliter ou rendre possible la préparation de particules cristallisées. En particulier la présente invention a pour but de résoudre le problème technique consistant à fournir des composés, notamment sous forme de particules, présentant des 15 propriétés pour des applications dans les domaines variés d'application des composés chimiques. L'invention a encore pour but de résoudre le problème technique consistant à rendre possible la préparation de composés, notamment sous forme de particules, qui ne sont pas accessibles par les techniques classiques, notamment de type sol-gel. 20 L'invention a encore pour but de résoudre le problème technique consistant à fabriquer des composés, notamment sous forme de particules, en améliorant les rendements des réactions. DESCRIPTION DE L'INVENTION 25 L'invention permet de résoudre au moins l'un, et de préférence l'ensemble des problèmes techniques posés selon l'invention. L'invention concerne une invention de rupture, appelée « SFS » pour Synthèse par Spray Flash (en anglais « Spray Flash Synthesis »). L'invention concerne un procédé de synthèse chimique, ledit procédé comprenant 30 une brumisation par évaporation flash, également connue sous le sigle SFE pour l'acronyme anglais « Spray Flash Evaporation », comprenant la réaction chimique d'au moins un premier composé avec au moins un deuxième composé, dans des conditions dans lesquelles le premier composé et le deuxième composé réagissent pour former au moins un troisième composé. 35 L'invention concerne également un dispositif de synthèse chimique, ledit dispositif comprenant : 3 - au moins un premier réservoir comprenant : - une alimentation d'une composition liquide comprenant ou constituée d'un premier composé ; - au moins un dispositif de mise sous une pression P1, P1 étant de préférence 5 choisi dans une plage de pression de 3 à 300 bars ; - au moins un dispositif de chauffage ; - au moins un deuxième réservoir comprenant : - une alimentation d'une composition liquide comprenant ou constituée d'un deuxième composé ; 10 - au moins un dispositif de mise sous une pression P1', P1' étant de préférence choisi dans une plage de pression de 3 à 300 bars et égale à ou différente de P1 ; - au moins un dispositif de chauffage ; lesdits premier composé et deuxième composé étant réactifs ensemble, - une chambre d'atomisation comprenant : 15 - au moins un dispositif de dispersion des compositions liquide de chaque réservoir, de préférence sous un angle allant de 30 à 150°, et à une pression P2 inférieure à P1 et P1', P2 étant de préférence choisi dans une plage de pression allant de 0,0001 à 2 bars, les dispositifs de dispersion étant positionnés de sorte que le premier composé et le deuxième composé 20 réagissent ensemble dans les gouttelettes formée dans la chambre d'atomisation, ledit dispositif de dispersion étant de préférence chauffé par un dispositif de chauffage à une température choisie dans une plage de 200 à 2000°C ; - au moins un dispositif de séparation de liquides ; et 25 - éventuellement un ou plusieurs dispositifs de récupération du troisième composé formé par réaction du premier composé et du deuxième composé. L'invention concerne aussi un dispositif de synthèse chimique, ledit dispositif comprenant : 30 - au moins un réservoir comprenant : - une alimentation d'une ou plusieurs compositions liquides comprenant le premier composé et/ou le deuxième composé ; - au moins un dispositif de mise sous une pression Pi, P1 étant de préférence choisi dans une plage de pression de 3 à 300 bars 35 - au moins un dispositif de chauffage ; lesdits premier composé et deuxième composé étant réactifs ensemble, 4 - une chambre d'atomisation comprenant - au moins un dispositif de dispersion du fluide de chaque réservoir, de préférence sous un angle allant de 30 à 150°, et à une pression P2 inférieure à P1, P2 étant de préférence choisi dans une plage de pression allant de 0,0001 5 à 2 bars, ledit dispositif étant de préférence chauffé par un dispositif de chauffage à une température choisie dans une plage de 200 à 2000°C ; - au moins un dispositif de séparation de liquides ; et - éventuellement un ou plusieurs dispositifs de récupération du troisième composé formé par réaction du premier composé et du deuxième composé. 10 La technique SFS selon l'invention est une nouvelle technique dérivée du SFE, mais qui intègre une rupture conceptuelle dans l'approche de la synthèse et une rupture technique. Ces ruptures constituent une véritable révolution dans la synthèse chimique en général (synthèse organique et inorganique). La rupture conceptuelle consiste à réaliser une synthèse d'un ou plusieurs 15 composés chimiques en passant du milieu en surpression en amont d'une buse de nébulisation (spray), à un vide primaire en aval de cette dernière. La synthèse est ainsi intégrée dans un procédé d'atomisation sous vide, représenté par la SFE. La synthèse selon l'invention peut se faire à la fois à travers une seule buse de nébulisation ou en faisant s'interpénétrer des jets de plusieurs buses de nébulisation. On peut ainsi réaliser 20 un nombre quasi infini de différents types de synthèses et de produits à synthétiser. L'invention est décrite en référence au premier, deuxième et troisième composés de manière générique. Ainsi, l'invention couvre tout mode de réalisation de synthèse chimique incluant la réaction entre deux ou plus composés réactifs (dénommés ici à titre purement arbitraire toujours premier et deuxième composés) pour former au moins un ou 25 plusieurs troisième composés (dénommés ici à titre purement arbitraire toujours troisième composé). Les termes de premier composé et deuxième composé sont donc arbitraires pour désigner au moins deux composés réactifs entre eux. Les termes de troisième composé sont donc arbitraires pour désigner au moins un produit de réaction d'au moins deux réactifs. Ainsi, l'invention couvre par exemple la réaction entre au moins deux 30 composés, réactifs, pour former un ou plusieurs troisièmes composés, produits de la réaction. Selon une variante, il est intéressant selon l'invention que le premier composé et le deuxième composé soient sous forme liquide jusqu'à leur réaction et que le troisième composé soit sous forme solide. Les conditions, notamment de température et pression 35 du procédé et dispositif selon l'invention sont donc avantageusement choisies en conséquence. 5 Selon une variante, la réaction est mise en oeuvre entre deux composés d'état différent (liquide, solide, gaz), comme par exemple entre un solide et un liquide, comme par exemple pour la synthèse de la nitrocellulose, la cellulose est solide et l'agent de nitration (HNO3) est liquide. 5 L'invention permet avantageusement une synthèse très localisée, dans des espaces très restreints (notion de micro voire nano-réacteurs, ou encore de réacteurs métastables...) constitués par les gouttes largement plus fines encore que celles du SFE des brevets antérieurs, notamment du fait du chauffage plus élevé, et qui forment des nanoréacteurs ou microréacteurs ou des intersections de nanoréacteurs ou 10 microréacteurs différents (cas des multiples buses) dans lesquelles a lieu la réaction chimique de synthèse. Ceci permet de faire avantageusement une synthèse ciblée, très localisée, en évitant tout emballement dû aux effets de masse (accumulation de la chaleur) découlant de l'usage de quantités trop grandes de réactifs. De manière particulièrement avantageuse, cette réaction chimique mise en oeuvre selon l'invention 15 permet de déplacer l'équilibre thermodynamique de la réaction opérée dans des conditions de réaction « standard » sans dispositif ou procédé SFE. On parle ainsi de synthèse hors-équilibre. Ce déplacement explique au moins en partie l'amélioration des rendements constatés selon la présente invention. De plus, du fait de la possibilité de chauffer la buse, on peut dans certains cas 20 directement obtenir la phase cristalline souhaitée du produit en évitant une phase de traitement thermique ultérieur, pour obtenir le produit voulu. Dans certains cas, lorsque cela s'avère nécessaire, il faut également prévoir des post-traitements dans l'aérosol de composés, notamment sous forme de particules, par exemple sous forme cristallisée. Ainsi, selon une variante, les composés notamment sous forme de particules, obtenus 25 sont cristallins, de préférence la phase cristalline étant contrôlée lors du passage au travers du dispositif de dispersion. Avantageusement, l'invention permet la synthèse en continu (allant jusqu'à plusieurs kilogrammes par heure), bien plus contrôlée que la plupart des techniques qui existent. Selon un mode de réalisation, l'invention permet de synthétiser des molécules et 30 la cristallisation des molécules synthétisées. Avantageusement, cette synthèse est réalisée très localement dans un dispositif selon l'invention, pour faciliter les réactions chimiques en favorisant le contact entre les réactifs (premier et deuxième composés), en particulier pour augmenter les rendements et/ou pour augmenter la sécurité de synthèse. Ainsi, l'invention constitue une technique beaucoup plus performante que bon nombre, 35 voire l'ensemble des techniques de synthèse chimique existantes. 6 Différents (troisièmes) composés peuvent être ainsi synthétisés comme des oxydes, des céramiques ou des produits organiques à l'exemple de matériaux énergétiques, de médicaments, d'esters ou de composés organiques en général, de polymères conducteurs ou non, de catalyseurs ou des complexes de métaux de 5 transition. La synthèse peut avoir lieu à l'aide d'un dispositif de nébulisation (ou REVENDICATIONS1. Procédé de synthèse chimique, ledit procédé comprenant une brumisation par évaporation flash, également connue sous le sigle SFE pour l'acronyme anglais « Spray Flash Evaporation », comprenant la réaction chimique d'au moins un premier composé avec au moins un deuxième composé, dans des conditions dans lesquelles le premier composé et le deuxième composé réagissent pour former au moins un troisième composé. 2. Procédé de préparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comprend la formation de particules comprenant ledit troisième composé, lesdites particules étant sous forme liquide, solide ou gazeuse. 3. Procédé de préparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé 15 comprend : (a) la préparation d'une phase liquide comprenant le premier composé et le deuxième composé pour former une composition liquide atomisable ; (b) le chauffage de la composition liquide à une pression P1 supérieure à la pression atmosphérique, le chauffage étant réalisé à une température supérieure au point 20 d'ébullition de la phase liquide ; (c) l'atomisation de la composition liquide comprenant le premier composé et le deuxième composé, l'atomisation étant réalisée dans une chambre d'atomisation au moyen d'un dispositif de dispersion à une pression P2 inférieure à P1 ; (d) l'obtention dudit troisième composé par réaction du premier composé et du deuxième 25 composé, et (e) éventuellement, la séparation du troisième composé de la phase liquide. 4. Procédé de préparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comprend : 30 (a) la préparation d'une première phase liquide comprenant le premier composé pour former une première composition liquide disposée dans un premier réservoir, et la préparation d'une deuxième phase liquide comprenant le deuxième composé formant une deuxième composition liquide disposée dans un deuxième réservoir ; (b) le chauffage de la première composition, sous une pression P1, à une température 35 supérieure au point d'ébullition du liquide, et le chauffage de la deuxième composition sous une pression P1', le chauffage de chaque composition liquide étant réalisé à une 24 température supérieure au point d'ébullition respectivement de la phase liquide considérée; et (c) l'atomisation simultanée des première et deuxième compositions chauffées sous pression, dans une chambre d'atomisation au moyen d'au moins un dispositif de 5 dispersion sous une pression P2 inférieure à P1, ladite dispersion étant réalisée de préférence sous chauffage ; (d) l'obtention dudit troisième composé par réaction du premier composé et du deuxième composé, et (e) éventuellement, la séparation dudit troisième composé des phases liquides. 10 5. Procédé de préparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier composé et/ou le deuxième composé sont indépendamment liquides ou solides ou gazeux. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, indépendamment, la première et la deuxième phase liquide comprennent ou sont constituées respectivement du premier composé sous forme liquide, éventuellement après dissolution dans un solvant, ou sous forme solide dispersée dans un solvant, et/ou du deuxième composé sous forme liquide, éventuellement après dissolution dans un solvant, ou sous forme solide dispersée dans un solvant, les solvants des première et deuxième phases liquides pouvant être identiques ou différents. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le troisième composé est obtenu sous forme de particules, par exemple dont au moins une dimension est inférieure à 100 nm. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le procédé comprend la récupération finale de particules comprenant le troisième composé synthétisé, par exemple au moyen d'un ou plusieurs dispositifs de rétention des particules choisi parmi un filtre, un séparateur électrostatique, un cyclone, un cyclone comprenant un dispositif électrostatique et un filtre. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la réaction est réalisée avec un chauffage de la composition ou des compositions fluides, 35 indépendamment ou dépendamment et en ce que le chauffage de la composition ou des 25 compositions fluides est, indépendamment, effectué sous une pression allant de 5 à 150 bars. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la réaction est 5 réalisée avec un chauffage de la composition ou des compositions fluides, indépendamment ou dépendamment sous pression d'un gaz inerte. 11. Procédé selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que l'atomisation de la composition ou des compositions est, indépendamment, réalisée 10 - à une pression allant de 0,001 à moins de 1 bars; et/ou - sous un angle de 60 à 80°. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les composés sont choisis parmi les composés énergétiques, les composés pharmaceutiques, les 15 composés phytopharmaceutiques, les composés de contraste médicaux, les composés fluorescents, les composés optiques, les composés colorants, les arômes, fragrances (parfum), les pigments, les encres, les peintures, les métaux, les oxydes métalliques, les composés semi-conducteurs, les composés optiques, les composés optoélectroniques, les composés ferroélectriques, les composés à réponse non-linéaire ou les composés bio- 20 électroniques. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la réaction est mise en oeuvre dans des conditions de pression et température d'obtention du troisième composé sous forme solide. 25 14. Composé susceptible d'être obtenu par un procédé tel que décrit selon l'une quelconque des revendications 1 à 13. 15. Dispositif de synthèse chimique, ledit dispositif comprenant : 30 - au moins un premier réservoir comprenant : - une alimentation d'une composition liquide comprenant ou constituée d'un premier composé ; - au moins un dispositif de mise sous une pression P1, ; - au moins un dispositif de chauffage ; - au moins un deuxième réservoir comprenant : 26 - une alimentation d'une composition liquide comprenant ou constituée d'un deuxième composé ; - au moins un dispositif de mise sous une pression P1', ; - au moins un dispositif de chauffage 5 lesdits premier composé et deuxième composé étant réactifs ensemble, - une chambre d'atomisation comprenant : - au moins un dispositif de dispersion des compositions liquide de chaque réservoir, et à une pression P2 inférieure à P1 et P1'' les dispositifs de dispersion étant positionnés de sorte que le premier composé et le deuxième 10 composé réagissent ensemble dans les gouttelettes formée dans la chambre d'atomisation ; - au moins un dispositif de séparation de liquides ; et - éventuellement un ou plusieurs dispositifs de récupération du troisième composé formé par réaction du premier composé et du deuxième composé. 15 16. Dispositif de synthèse chimique, ledit dispositif comprenant : - au moins un réservoir comprenant : - une alimentation d'une ou plusieurs compositions liquides comprenant le premier composé et/ou le deuxième composé ; 20 - au moins un dispositif de mise sous une pression P1 ; - au moins un dispositif de chauffage lesdits premier composé et deuxième composé étant réactifs ensemble, - une chambre d'atomisation comprenant : - au moins un dispositif de dispersion du fluide de chaque réservoir, et à une 25 pression P2 inférieure à P1, ledit dispositif étant de préférence chauffé par un dispositif de chauffage à une température choisie dans une plage de 200 à 2000°C ; - au moins un dispositif de séparation de liquides ; et - éventuellement un ou plusieurs dispositifs de récupération du troisième composé 30 formé par réaction du premier composé et du deuxième composé. 17. Dispositif selon la revendication 15 ou 16, ledit dispositif comprenant un dispositif ou moyen de traitement thermique troisième composé formé dans l'aérosol.