Brevet FR3138327A1 — publié le 20240202

L’invention porte sur Système de chauffage en flux continu de molécules chimiques pour des réactions de chimie organique et catalyse comprenant : plusieurs modules (M 1 , M 2 , …M N ), disposés en série, N ≥ 2, un module (M i ) comprenant un guide d'onde (G i ) et une enceinte (E i ) de maintien en température des réactifs ; et une unité de commande électronique (UCE) du système configurée pour : commander les puissances incidentes (PIG i ) de chaque guide d'onde (G i ) émises par chaque source correspondante (Si), et les puissances délivrées (PEi) par chaque enceinte (E i ) de maintien en température, en fonction des températures mesurées par les capteurs thermiques (CT i1 , CT i2 , CT i3 ) et de températures de consignes correspondantes (Tcons i1 , Tcons i2 , Tcons i3 ) ; et recevoir les mesures des puissances incidentes (PIG i ) et des puissances réfléchies (PRG i ) les destinées à au réglage des dispositifs d'adaptation d'impédance (ADIMPi). Figure pour l’abrégé : [Fig.2] Système de chauffage en flux continu de molécules chimiques pour des réactions de chimie organique et catalyse L'invention porte sur un système de chauffage en flux continu de molécules chimiques pour des réactions de chimie organique et catalyse. Le domaine de l’invention concerne le chauffage en flux continu de molécules chimiques pour des réactions de chimie organique et catalyse. Il est connu des appareils à micro-ondes en flux continu pour la chimie. Les appareils de chauffage par micro-ondes existent déjà dans le domaine de la chimie à l’échelle laboratoire et sont commercialisés par quelques entreprises telles que SAIREM, CEM, MILESTONE, ANTON PAAR, BIOTAGE. Quelques équipementiers commercialisent également des appareils micro-ondes dédiés à la synthèse organique et catalyse tels que SAIREM. La synthèse organique et catalyse chimique homogène et hétérogène en flux continu sous chauffage micro-ondes n’a que peu d’appareils dédiés et ces dispositifs ne présentent qu’une seule source de puissance. La source de chauffage est donc globale sur le volume du mélange réactionnel bien que non uniforme. Il est également connu, des appareils tels que décrits dans les Techniques de l'ingénieur Réf. : J5020 V1 "Micro-ondes en synthèse organique", p.7. Il est également connu, comme illustré sur la , des appareils à micro-ondes, tels que décrits dans le document "Patil, Narendra G., et al. "Microwave assisted flow synthesis: Coupling of electromagnetic and hydrodynamic phenomena." AIChE Journal 60.11 (2014): 3824-3832.". Dans un tel système, les voies du guide d'onde ne sont pas indépendantes et l’énergie micro-ondes est distribuée quasi uniformément dans quatre cavités. Un tel système ne permet pas de contrôler la puissance et la température de façon indépendante dans chaque voie, aussi la sélectivité et la conversion des produits ciblés sont limitées. De plus, les systèmes de chauffage par micro-ondes en flux continu n’ont pas un volume d’interaction avec le milieu réactionnel important à cause de contraintes du dimensionnement du guide (hauteur de 43.18mm pour un guide standard WR340 et faible diamètre de tube car pénétration des micro-ondes faible), ce qui ne permet pas d’effectuer des réactions chimiques avec un débit élevé, aussi la productivité est limitée. Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités, et notamment de fournir un équipement permettant d'effectuer des réactions chimiques telles des synthèses organiques sélectives et des catalyses chimiques homogènes et hétérogènes par un contrôle de la température à différents points du (des) réacteur(s) où s’effectue la réaction. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système de chauffage en flux continu de molécules chimiques pour des réactions de chimie organique et catalyse comprenant : plusieurs modules disposés en série, un module comprenant : un tube de circulation traversant un guide d'onde configuré pour chauffer des molécules chimiques , et débouchant sur une enceinte de maintien en température des molécules chimiques, le guide d'onde comprenant une source de puissance générant une puissance incidente, un isolateur protégeant la source de puissance d'une puissance réfléchie, des coupleurs directifs de mesure des puissance incidente et puissance réfléchie, un dispositif d'adaptation d'impédance, et un court-circuit ; un tube de circulation des produits issus de la réaction chimique se déroulant dans l'enceinte de maintien en température ; au moins un capteur thermique de mesure de la température dans le tube de circulation entre la sortie du guide d'onde et l'entrée dans l'enceinte de maintien en température ; au moins un capteur thermique de mesure de la température dans l'enceinte de maintien en température ; et au moins un capteur thermique de mesure de la température dans le tube de circulation en sortie de l'enceinte de maintien en température; et une unité de commande électronique du système configurée pour : commander les puissances incidentes de chaque guide d'onde émises par chaque source correspondante, et les puissances délivrées par chaque enceinte de maintien en température, en fonction des températures mesurées par les capteurs thermiques et de températures de consignes correspondantes ; et recevoir les mesures des puissances incidentes et des puissances réfléchies destinées au réglage des dispositifs d'adaptation d'impédance et des courts-circuits. Selon un mode de réalisation, l'unité de commande est configurée pour commander le réglage des dispositifs d'adaptation d'impédance à partir des mesures des puissances incidentes et des puissances réfléchies, en minimisant les puissances réfléchies tout en maximisant les puissances incidentes. Dans un mode de réalisation, l'unité de commande est configurée pour réguler une puissance en fonction d'une température mesurée par un capteur thermique, en utilisant un régulateur configuré pour minimiser un écart à une consigne, tel un régulateur Proportionnel Intégral Dérivé, ou à commande prédictive, ou à commande par retour d'état, ou à commande LQG, ou à commande optimale ou à contrôleur flou. Dans un mode de réalisation, une enceinte de maintien en température est un four ou une étuve. Selon un mode de réalisation, un tube de circulation est en verre. Dans un mode de réalisation, un tube de circulation comprend un élément de blindage magnétique de chaque côté du guide d'onde, pour limiter les pertes de puissance par rayonnement. Selon un mode de réalisation, un élément de blindage magnétique est métallique. Dans un mode de réalisation, au moins un module, différent du premier module de la série, comprend une entrée configurée pour ajouter des molécules chimiques dans un tube de circulation. Selon un mode de réalisation, les dispositifs d'adaptation d'impédance comprennent une boîte d'accord ("tuner" en langue anglaise) ou deux coupe-circuits. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels les figures : illustre schématiquement un système de chauffage de molécules chimiques, selon l'état de l'art ; illustre schématiquement un système de chauffage en flux continu de molécules chimiques pour des réactions de chimie organique et catalyse, selon un aspect de l'invention ; et illustre schématiquement, l'évolution de la température dans le système, selon un aspect de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires. La représente schématiquement un système de chauffage en flux continu de molécules chimiques pour des réactions de chimie organique et catalyse comprenant : plusieurs modules M 1 , M 2 , …M N , disposés en série, N ≥ 2, un module M i comprenant : un tube de circulation TE i traversant un guide d'onde G i configuré pour chauffer des molécules chimiques, et débouchant sur une enceinte E i de maintien en température des molécules chimiques, le guide d'onde G i comprenant une source de puissance Si générant une puissance incidente PIG i , un isolateur ISOi protégeant la source de puissance Si d'une puissance réfléchie PRG i , des coupleurs directifs CDI i , CDR i de mesure des puissance incidente PIG i et puissance réfléchie PR, un dispositif d'adaptation d'impédance ADIMPi, et un court-circuit CC i ; un tube de circulation TS i des produits issus de la réaction chimique se déroulant dans l'enceinte E i de maintien en température ; au moins un capteur thermique CT i1 de mesure de la température dans le tube de circulation TE i entre la sortie du guide d'onde G i et l'entrée dans l'enceinte E i de maintien en température ; au moins un capteur thermique CT i2 de mesure de la température dans l'enceinte E i de maintien en température ; et au moins un capteur thermique CT i3 de mesure de la température dans le tube de circulation TS i en sortie de l'enceinte E i de maintien en température ; et une unité de commande électronique UCE du système configurée pour : commander les puissances d'alimentation PG i de chaque guide d'onde G i et les puissances d'alimentation PEi de chaque enceinte E i de maintien en température, en fonction des températures mesurées par les capteurs thermiques CT i1 , CT i2 , CT i3 et de températures de consignes correspondantes Tcons i1 , Tcons i2 , Tcons i3 ; et recevoir les mesures des puissances incidentes PIG i et des puissances réfléchies PRG i les destinées à au réglage des dispositifs d'adaptation d'impédance ADIMPi et des courts-circuits CC i . Une enceinte E i de maintien en température peut être un four ou une étuve, et un tube de circulation TE i , TS i peut être en verre. Un tel système permet de contrôler la montée en température en commandant la puissance d'alimentation du guide d'onde G i en fonction de la température CT i1 mesurée dans le tube de circulation TE i traversant le guide d'onde G i , et de la température Tcons i1 de consigne correspondante. Ce chauffage HF par un guide d'onde G i permet de monter très vite à la température nécessaire Tcons i1 pour que la réaction se fasse. Un tel système permet de rester à une température bien définie Tcons i1 à la sortie du chauffage HF par le guide d'onde G i , grâce à l'enceinte E i de maintien en température, par exemple avec un système thermostaté et isolé de l’extérieur, sur un volume défini (et modulable) de réacteur. Ce maintien en température, à la température de consigne Tcons i2 permet de maximiser la conversion en produit souhaité en augmentant le temps de séjour du mélange réactionnel dans l’enceinte E i . De plus, un tel volume permet de travailler avec des débits plus importants que dans l'état de l'art, et par conséquent d’augmenter la productivité. En cas d'utilisation de plusieurs capteurs thermiques pour mesurer une même température, la température de consigne peut s'appliquer à une moyenne pondérée de ces mesures. Les températures de consigne dépendent des réactions chimiques effectuées et des résultats souhaités. L'unité de commande (UCE) peut être configurée pour réguler une puissance PG i , PEi en fonction d'une température mesurée par un capteur thermique (CT i1 , CT i2 , CT i3 ), en utilisant un régulateur Proportionnel Intégral Dérivé. Différents points de mesures de la température sont intégrés aux modules du système, avec a minima, par module, un point de mesure CT i1 en sortie de guide d'onde G i , un point de mesure CT i2 dans l'enceinte E i de maintien en température et un point de mesure CT i3 en sortie de l’enceinte E i de maintien en température (correspondant à l’entrée du guide d'onde du module suivant ou à la sortie des produits finals du système). L’asservissement puissance/température pour la partie au niveau du guide d'onde G i se fait par la mesure de la température en sortie de guide d'onde G i : c’est cette mesure de la température qui détermine la commande de puissance du guide d'onde. L’enceinte E i de maintien en température dispose également d’un dispositif d’asservissement en température indépendant. L’asservissement puissance/température pour la partie au niveau de l'enceinte E i de maintien en température se fait par la mesure de la température en entrée et/ou à l'intérieur et/ou en sortie de guide d'onde G i : c’est cette mesure de la température qui détermine la commande de puissance du guide d'onde G i . Le principe de ces asservissements peut être basé sur un régulateur configuré pour minimiser un écart à une consigne, tel un régulateur PID (Proportionnel, Intégral, Dérivé). En variante, un régulateur à commande prédictive, ou à commande par retour d'état, ou à commande LQG, ou à commande optimale ou à contrôleur flou peut être utilisé. En l'espèce, il y a un régulateur PID par guide d'onde G i et par enceinte E i de maintien en température. L’asservissement peut se faire sur la température. Une référence de de température est sélectionnée par l’opérateur de la machine, en fonction de la réaction chimique et des résultats souhaités. Elle est comparée à la mesure de température. L’erreur sera envoyée au PID qui recalcule la nouvelle commande de puissance du guide d'onde. Les paramètres du PID sont calculés pour atteindre la valeur demandée en assurant la stabilité du système d’asservissement. Cet asservissement est en l'espèce numérique, des convertisseurs analogiques numériques (CAN) et numériques analogiques (CNA) assurent la conversion des signaux et le traitement comparaison et PID se fait par logiciel dans un microcontrôleur ou FPGA. En variante, l'asservissement peut être réalisé sous forme analogique. Ces différentes régulations peuvent se faire avec des régulations basées sur une pluralité de mesures par plusieurs capteurs thermiques, auquel cas la régulation peut se faire sur une moyenne, une moyenne pondérée ou une autre fonction de ces multiples mesures. Au moins un module M K , avec 2 ≤ K ≤ N, i.e. différent du premier module M 1 de la série de modules M 1 , M 2 , …M N , comprend une entrée ER configurée pour ajouter des réactifs dans un tube de circulation (TE i , TS i ). Quelle que soit la source de chauffage micro-ondes G i et la source de maintien en température E i , ce système permet de contrôler les paramètres du chauffage et d’appliquer la bonne puissance en fonction de la température à atteindre, en fonction du débit d’entrée et des propriétés intrinsèques des éléments constitutifs de la réaction chimique et de la catalyse chimique homogène et hétérogène et de permettre un maintien en température sur un volume correspondant à un temps de séjour nécessaire pour que ladite réaction se fasse avec une conversion, un rendement et une sélectivité optimaux. Une réaction modèle est l’oligomérisation du glycérol, où le contrôle de température sur chacun des n niveaux va permettre de contrôler la sélectivité de l’oligomère souhaité et maximiser la conversion du glycérol en cet oligomère : Un dispositif d’adaptation ADIMP i (comprenant par exemple un coupleur ou T hybride et deux courts-circuits, ou, en variante un tuner) et un court-circuit CC i permettent d’adapter l’impédance du système de sorte que la puissance absorbée par le fluide soit maximale. Ce dispositif d’adaptation est nécessaire car la nature du milieu change à cause de la réaction chimique, les produits issus de la réaction ayant des propriétés diélectriques différentes. l'unité de commande UCE est configurée pour commander le réglage des dispositifs d'adaptation d'impédance ADIMP i et des courts-circuits CC i à partir des mesures des puissances incidentes PIG i et des puissances réfléchies PRG i , en minimisant les puissances réfléchies PRG i tout en maximisant les puissances incidentes PIG i . Un tube de circulation TE i , TS i peut comprendre un élément de blindage électromagnétique BM i , de chaque côté du guide d'onde G i . Le piège à onde ou blindage magnétique BM i protège l’utilisateur d’éventuelles fuites électromagnétiques et est dimensionné de sorte qu’il n’y ait pas de propagation dans le mélange réactionnel du réacteur en verre lorsque le système arrive dans l'enceinte de maintien en température E i . Un exemple de réalisation utilise une ou plusieurs sources de puissance hyperfréquence de 1kW à 2,5GHz (par exemple). Ce signal est injecté par une transition coaxiale dans un guide rectangulaire. Un isolateur ou circulateur est utilisé pour protéger l’amplificateur des ondes réfléchies par le dispositif à chauffer. Des coupleurs directionnels permettent de mesurer l’onde incidente et l’onde réfléchie. Un coupleur hybride associé à des courts-circuits réglables permettent d’optimiser le transfert de puissance dans les réactifs par chauffage micro-onde. Le guide d'onde G i d'un module M i est percé d’un trou dans lequel on ajoute un tube de circulation en verre (deux parties entrée TE i et sortie TS i ) permettant de faire transiter les réactifs à chauffer. Dans ce guide G i la température des réactifs est augmentée très rapidement. En complément du contrôle de la puissance et de la température, il est important de contrôler le transfert d’énergie au réactif à chauffer. Pour cela on utilise deux réglages qui peuvent être soit manuels soit automatiques (régulateur). Dans le guide d'onde G i qui assure le transfert de l’énergie électromagnétique en énergie thermique il y a quatre type de puissance : la puissance incidente PIG i qui provient de la source S i , la puissance absorbée PAG i qui est absorbée par les réactifs, la puissance réfléchie PRG i , qui est renvoyée par le guide d'onde G i , et la puissance perdue PPG i , qui s’échappe du guide d'onde G i par rayonnement ou par pertes dans le guide d'onde G i . Pour la puissance perdue PPG i , il a été ajouté un piège à ondes ou élément de blindage magnétique BM i de chaque côté du guide d'onde G i pour limiter les pertes par rayonnement ; les interfaces du guide d'onde G i sont également ajustées pour minimiser les pertes. Concernant la puissance absorbée PAG i , le réglage du court-circuit CC i permet de maximiser le champ électrique dans la solution à chauffer. A cette fin, il faut le régler pour obtenir le maximum de l’onde stationnaire dans l’axe du tube longitudinal du tube de circulation TE i , TS i . Ce réglage se fait en ajustant le court-circuit pour que la puissance réfléchie PRG i soit minimale. Concernant la puissance réfléchie PRG i , l’impédance à l’entrée du guide d'onde G i dépend de l’impédance des réactifs et de la longueur de la ligne. Si l’impédance n’est pas adaptée à l’impédance de la source S i , il y a une puissance réfléchie PRG i , qui est absorbée dans la charge de l’isolateur ISO i et donc perdue. Pour éviter cette perte, est ajouté le dispositif d’adaptation d’impédance ADIMP i qui permet de passer d’une impédance Z à l’impédance de la source Z0. Ce dispositif d’adaptation d’impédance ADIMP i peut être réalisé avec une boîte d'accord (tuner à plongeurs) ou avec un T hybride et deux courts-circuits.). Les ajustements sont faits pour à la fois minimiser les puissances réfléchies PRG i et maximiser les puissances incidentes PIG i . Tous cela peut fonctionner avec des ajustements manuels si l’impédance des réactifs est indépendante de la température. Cependant, ce n'est généralement pas le cas. Aussi, une deuxième boucle de régulation est ajoutée, basée par exemple sur un PID, pour minimiser pendant toute la phase de réaction la puissance réfléchie PRGi. La présente invention permet donc d'ajuster la température de réaction et de maximiser le transfert d’énergie pendant toute la phase de réaction. Ce dispositif est réalisé sur les N modules La représente l'évolution de la température dans le système au cours de la circulation des réactifs et des réactions. L'exemple décrit ne comprend que deux modules (N=2), mais n'est aucunement limitatif. Dans le premier module M 1 , les réactifs de la première réaction chimique sont introduits à l'instant t 0 à la température T 0 , et à l'instant t 1 , la solution traverse le guide d'onde G 1 , et est rapidement chauffée de l'instant t 1 à l'instant t 2 , pour passer très vite de la température T 0 à une température T 1 . Ensuite, le milieu réactionnel entre dans l'enceinte E 1 de maintien en température, telle une étuve thermostatée ou un four thermostaté, pour le maintenir à une température constante, en l'espèce T 1 , pour que la réaction chimique souhaitée puisse se faire. Le tube de circulation qui passe dans l'enceinte E 1 de maintien en température garde le milieu réactionnel dans l'enceinte E 1 entre l'instant d'entrée t 2 et l'instant de sortie t 3 . Le réacteur ou tube de circulation passant dans l’enceinte E1 doit être de volume adapté à la réaction chimique. Ainsi on adapte le volume de ce réacteur en fonction de la réaction chimique (par la géométrie du réacteur serpentin, tube droit… mais aussi pourquoi pas en augmentant ou diminuant le diamètre du réacteur en verre). L’opération est ensuite reproduite, dans le deuxième module M 2 , avec une autre température T 2 , différente ou non de T1,obtenue par chauffage micro-ondes lors de la traversée du deuxième guide d'onde G 2 , entre les instants t 3 et t 4 ; température pouvant être inférieure, égale ou supérieure à T1, selon la réaction chimique suivante souhaitée. Ensuite, le milieu réactionnel entre dans l'enceinte E 2 de maintien en température, telle une étuve thermostatée ou un four thermostaté, pour le maintenir à une température constante, en l'espèce T 2 , pour que la réaction chimique souhaitée puisse se faire. Le tube de circulation qui passe dans l'enceinte E 2 de maintien en température peut être allongé par une forme en serpentin car le temps de séjour dans l'enceinte E 2 , entre l'instant d'entrée t 4 dans l'enceinte E 1 et l'instant de sortie t 5 de l'enceinte E 2, doit être beaucoup plus long que le temps de montée rapide en température lors de la traversée du guide d'onde G 2 . Système de chauffage en flux continu de molécules chimiques pour des réactions de chimie organique et catalyse comprenant : plusieurs modules (M 1 , M 2 , …M N, N ≥ 2), disposés en série, un module (M i ) comprenant : un tube de circulation (TE i ) traversant un guide d'onde (G i ) configuré pour chauffer des molécules chimiques , et débouchant sur une enceinte (E i ) de maintien en température des molécules chimiques, le guide d'onde (G i ) comprenant une source de puissance (S i ) générant une puissance incidente (PIG i ), un isolateur (ISO i ) protégeant la source de puissance (S i ) d'une puissance réfléchie (PRG i ), des coupleurs directifs (CDI i , CDR i ) de mesure des puissance incidente (PIG i ) et puissance réfléchie (PR), un dispositif d'adaptation d'impédance (ADIMP i ), et un court-circuit (CC i ) ; un tube de circulation (TS i ) des produits issus de la réaction chimique se déroulant dans l'enceinte (E i ) de maintien en température ; au moins un capteur thermique (CT i1 ) de mesure de la température dans le tube de circulation (TE i ) entre la sortie du guide d'onde (G i ) et l'entrée dans l'enceinte (E i ) de maintien en température ; au moins un capteur thermique (CT i2 ) de mesure de la température dans l'enceinte (E i ) de maintien en température ; et au moins un capteur thermique (CT i3 ) de mesure de la température dans le tube de circulation (TS i ) en sortie de l'enceinte (E i ) de maintien en température ; et une unité de commande électronique (UCE) du système configurée pour : commander les puissances incidentes (PIG i ) de chaque guide d'onde (G i ) émises par chaque source correspondante (Si), et les puissances délivrées (PEi) par chaque enceinte (E i ) de maintien en température, en fonction des températures mesurées par les capteurs thermiques (CT i1 , CT i2 , CT i3 ) et de températures de consignes correspondantes (Tcons i1 , Tcons i2 , Tcons i3 ) ; et recevoir les mesures des puissances incidentes (PIG i ) et des puissances réfléchies (PRG i ) les destinées à au réglage des dispositifs d'adaptation d'impédance (ADIMPi) et des courts-circuits (CC i ). Système selon la revendication 1, dans lequel l'unité de commande (UCE) est configurée pour commander le réglage des dispositifs d'adaptation d'impédance (ADIMPi) et des courts-circuits (CC i ) à partir des mesures des puissances incidentes (PIG i ) et des puissances réfléchies (PRG i ), en minimisant les puissances réfléchies (PRG i ) tout en maximisant les puissances incidentes (PIG i ). Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande (UCE) est configurée pour réguler une puissance (PG i , PEi) en fonction d'une température mesurée par un capteur thermique (CT i1 , CT i2 , CT i3 ), en utilisant un régulateur configuré pour minimiser un écart à une consigne (Tcons i1 , Tcons i2 , Tcons i3 ), tel un régulateur Proportionnel Intégral Dérivé, ou à commande prédictive, ou à commande par retour d'état, ou à commande LQG, ou à commande optimale ou à contrôleur flou. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'enceinte (E i ) de maintien en température est un four ou une étuve. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le tube de circulation (TE i , TS i ) est en verre. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le tube de circulation (TE i , TS i ) comprend un élément de blindage électromagnétique (BM i ) de chaque côté du guide d'onde (G i ), pour limiter les pertes de puissance par rayonnement. Système selon la revendication 6, dans lequel l'élément de blindage électromagnétique (BM1, BM2) est métallique. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un module (M K , 2 ≤ K ≤ N), différent du premier module (M 1 ) de la série, comprend une entrée (ER) configurée pour ajouter des réactifs dans un tube de circulation. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dispositifs d'adaptation d'impédance (ADIMP i ) comprennent une boîte d'accord ou deux coupe-circuits.