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Les réacteurs
photochimiques


a- Réacteurs de laboratoire

Pour les photoréacteurs, la géométrie et les relations spatiales entre le réacteur et la source lumineuse sont très importantes. La configuration géométrique du photoréacteur est déterminée pour que la source lumineuse irradie l’échantillon dans des conditions optimales.

L’irradiation peut être normale ou parallèle à la surface du réacteur. En sélectionnant une configuration géométrique, il est nécessaire de déterminer le chemin optique de la lumière qui est obtenu dans le réacteur car c’est un des facteurs les plus importants affectant l’absorption lumineuse par le mélange réactionnel.

Les formes les plus courantes des photoréacteurs sont les suivantes:

- les photoréacteurs à immersion : ce sont les réacteurs les plus simples utilisés dans la majorité des laboratoires et des pilotes industriels. Il s’agit d’un réservoir agité dans lequel les particules solides de catalyseur sont en suspension dans l’eau. Une ou plusieurs lampes sont immergées dans la suspension (fig.1). Ce système a l’avantage de pouvoir travailler en continu. De plus, cette configuration géométrique est très simple à mettre en place et permet d’obtenir une efficacité photonique très grande. L’inconvénient majeur est qu’il est possible de former un film de particules très fines à la surface de la lampe ce qui augmente la dispersion de la radiation lumineuse.




Fig. 1 : Photoréacteur à immersion
A) lampe U.V., B) isolation thermique, C) milieu réactionnel, D) eau de refroidissement.


- les photoréacteurs annulaires : la zone de réaction est délimitée par deux cylindres coaxiaux. La lampe est placée dans l’axe de symétrie. Ce système permet de travailler en continu et discontinu. Pratiquement tous les photons émis par la lampe peuvent agir dans le milieu réactionnel. Si l’épaisseur de la solution est faible, il est possible d’ajouter un miroir autour du réacteur afin d’augmenter la quantité de photons dans le milieu réactionnel (fig.2)

- les photoréacteurs multi-lampes : le réacteur est cylindrique, entouré de plusieurs lampes. Cette géométrie est souvent utilisée lorsque les lampes sont fluorescentes car elles ont une puissance très faible. Généralement, les surfaces réfléchissantes sont paraboliques et les lampes sont placées au centre (fig.3)

- les photoréacteurs elliptiques : le réacteur cylindrique et la lampe sont placés au centre d’un cylindre réfléchissant elliptique. Dans cette géométrie, la majeure partie des photons arrive sur le réacteur après réflexion sur la surface réfléchissante. Il a été montré que l’énergie n’est pas uniforme dans le photoréacteur, et que l’intensité dépend des paramètres de l’ellipse (fig.4)




Fig. 2 : Photoréacteurs annulaires
(a) photoréacteur annulaire à débit constant : A) arrivée des réactants, B) sortie des produits, C) liquide de refroidissement, D) lampe  (b) photoréacteur annulaire : A) entrée de l’eau de refroidissement, B) sortie de l’eau de refroidissement, C) lampe  (c) photoréacteur annulaire à lit fluidisé : A) arrivée des réactants tangents à la lampe, B) sortie de l’eau de refroidissement, C) lampe




Fig. 3 : Photoréacteur multi lampes : A) réacteur tubulaire, B) lampes, C) réflecteurs paraboliques.




Fig. 4 : Photoréacteur elliptique. (a) vue du dessus. (b) vue en perspective, A) réacteur cylindrique, B) lampe, C) réflecteurs elliptiques, D) propagation des photons.


- les photoréacteurs à film de catalyseur : le réacteur cylindrique est constitué d’un film mince de catalyseur dans la paroi interne où circule la solution. La lampe est placée au centre du réacteur (fig.5)




Fig. 5 : Photoréacteur à film de catalyseur. (a) photoréacteur à irradiation extérieure (positive). (b) photoréacteur à irradiation intérieure (négative). (c) photoréacteur à film mince.

- les photoréacteurs à plaques : le réacteur est constitué de deux plaques parallèles, l’entrée et la sortie de la solution se font perpendiculairent au sens de déplacement du liquide. L’irradiation lumineuse se fait face aux plaques (fig.6)



Fig. 6 : Photoréacteur à plaques. (a) vue de face. (b) vue de côté, 1) entrée de la solution, 2) sortie de la solution, 3) irradiation lumineuse

b- Réacteurs semi-industriels

Les différents collecteurs solaires ont été classés suivant le niveau de concentration de photons obtenu à l’intérieur. Le rapport de concentration peut être défini entre le rapport de l’aire d’ouverture du collecteur qui absorbe les rayons solaires et l’aire totale du réacteur. L’aire d’ouverture est l’aire interceptant les radiations et l’aire absorbante, l’aire recevant les radiations solaires concentrées.

Trois catégories sont ainsi définies:

- faible concentration photonique ou faible température : jusqu’à 150°C
- moyenne concentration photonique ou température moyenne : entre 150 et 400°C
- forte concentration photonique ou forte température : au-delà de 400°C

Les collecteurs faible concentration photoniques sont statiques (fig.7) Généralement, ce sont des plaques plates orientées vers le soleil suivant la localisation géographique. L’avantage d’un tel système est son faible coût pour la mise en place.



Fig. 7 : Collecteur faible concentration photonique

Pour les collecteurs moyenne concentration (fig.8), le rapport de concentration est compris entre 5 et 50. De plus, ils nécessitent un système qui suit le soleil durant la journée. Les collecteurs paraboliques et les collecteurs holographiques (collecteurs de Fresnel) font partie de cette catégorie. Le premier a une surface de réflexion parabolique qui concentre les rayons solaires dans un tube au centre de la parabole. Le collecteur de Fresnel consiste à dévier les radiations solaires par des surfaces réfléchissantes (similaires à des lentilles de Fresnel).



Fig. 8 : Collecteur moyenne concentration photonique

Les collecteurs forte concentration (figure 25) ont un point focal à l’intérieur d’une ligne focale et sont placés sur une parabole suivant le soleil. Le rapport de concentration est compris entre 100 et 10000 et une très grande précision optique est nécessaire. Cette catégorie inclut les fours solaires.



Fig. 9 : Collecteur à forte concentration photonique

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