FR2938778A1 - Contacteur pour la realisation d'operations de transfert thermique,de melange et/ou de reactions chimiques entre fluides. - Google Patents

Abstract

Contacteur pour la réalisation d'opérations de transfert thermique ou de mélange entre fluides, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux réseaux arborescents de conduits (A, B), enchevêtrés entre eux par entrelacement des conduits respectifs. Avantageusement, chaque réseau arborescent (A, B) du contacteur est constitué par subdivisions successives d'une canalisation principale (CP , CP ), les conduits issus de chaque subdivision étant entrelacés avec des conduits correspondants de l'autre ou des autres réseaux arborescents. Un tel contacteur peut être fabriqué avantageusement en polymère, en métal ou en céramique par stéréolithographie et être utilisé en tant qu'échangeur thermique, mélangeur et/ou réacteur chimique.

Description

CONTACTEUR POUR LA REALISATION D'OPERATIONS DE TRANSFERT THERMIQUE, DE MELANGE ET/OU DE REACTIONS CHIMIQUES ENTRE FLUIDES L'invention porte sur un contacteur pour la réalisation d'opérations de transfert thermique, de mélange entre fluides, ainsi que des réactions chimiques, en particulier en combinant ces différentes fonctions. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un tel contacteur, et sur l'utilisation de ce dernier pour la réalisation de différentes opérations. En génie des procédés, le terme contacteur indique un dispositif permettant la mise en contact entre deux ou plusieurs fluides, ou entre des fluides et un solide. Le contact peut être direct, afin de réaliser des mélanges, éventuellement réactifs, ou des échanges de matière ; il peut également s'agir d'un contact thermique, à travers une paroi conductrice de chaleur. Le contacteur de l'invention est particulièrement adapté pour la réalisation de réacteurs chimiques, d'échangeurs de chaleurs ou de mélangeurs, et plus particulièrement pour combiner en un seul équipement ces différentes fonctions. Par exemple, le contacteur de l'invention permet de préchauffer des réactifs fluides avant de les mettre en contact, préparer un mélange optimal desdits réactifs, les faire réagir et puis refroidir les produits de la réaction qui peut être exothermique. Ce type de contacteur peut être utilisé avec toute sorte de fluides : liquides, gaz, suspensions liquides, pâtes ou mêmes poudres coulantes. L'invention s'applique notamment à la réalisation de réactions chimiques exothermiques, nécessitant un bon contrôle local à la fois de la température et du micromélange des réactifs, notamment en milieux visqueux (réactions d'halogénation, de polymérisation, de polycondensation...) et donc d'évacuer de la chaleur à l'aide d'un fluide caloporteur. Actuellement, des solutions variées sont mises en oeuvres pour permettre le déroulement de ces réactions. Par exemple, il est possible de travailler en milieu dilué, ce qui implique l'utilisation de réacteurs de grande taille et le recours à des opérations de concentration en aval. Il est également possible de passer par des voies réactionnelles multi-étapes, réduisant l'énergie dégagée par chaque réaction au prix d'une grande complexité de l'installation requise. Mais souvent on se limite à renoncer à un contrôle fin de température, ce qui conduit à une baisse des rendements réactionnels et nécessite des opérations de séparation/purification parfois complexes en aval du réacteur.

L'invention s'applique également à des réactions chimiques endothermiques, où il est nécessaire d'apporter de la chaleur pour déclencher la réaction et la maintenir à la température souhaitée (par exemple, des réactions de "reformage" visant à produire, à partir de gaz naturel ou d'autres hydrocarbures un mélange gazeux riche en hydrogène et oxydes de carbone). Dans ce cas, le fluide caloporteur apporte de la chaleur au lieu d'en évacuer. L'invention s'applique également à la réalisation de mélanges (liquide/liquide, poudre/poudre) ou suspensions (poudre/liquide). Ces opérations de mélange sont le plus souvent réalisées en discontinu, dans des réacteurs équipés d'agitateurs parfois complexes. Il existe également des mélangeurs statiques, constitués par des canalisations contenant des inserts de forme hélicoïdale ou autre qui perturbent l'écoulement des fluides et provoquent leur mélange. Ces mélangeurs statiques ont certaines limitations qui peuvent être contournées par la présente invention: notamment, ils sont peu adaptés pour le transfert thermique entre les fluides que l'on mélange et un fluide caloporteur non-mélangé avec les premiers; de plus, les mélangeurs statiques sont actuellement très coûteux, même en petite taille, en raison notamment d'un mode de fabrication difficilement "mécanisable". L'invention vise à résoudre au moins certains des 25 inconvénients de l'art antérieur. Conformément à l'invention, un tel but est atteint par un contacteur pour la réalisation d'opérations de transfert thermique, de mélange et/ou de réactions chimiques entre fluides, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux réseaux arborescents de conduits, enchevêtrés entre eux par 30 entrelacement des conduits respectifs. La caractéristique principale de l'invention est donc d'ordre géométrique, et consiste dans une structure à conduits arborescents et entrelacés.

Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention : - Chaque réseau arborescent peut être constitué par subdivisions successives d'une canalisation principale, chaque subdivision conduisant à un nombre plus élevé de conduits plus petits, générant ainsi une structure multi-échelle ; les conduits issus de chaque subdivision étant entrelacés avec des conduits correspondants de l'autre ou des autres réseaux arborescents. - En partant de l'entrée de l'un des fluides et en suivant son sens d'écoulement, le contacteur peut en particulier se présenter sous la forme d'une alternance d'étages de subdivision des conduits formant les différents réseaux, et d'étages d'entrelacement desdits conduits. De manière équivalente, si l'on "remonte le courant" on peut considérer qu'un tel contacteur est constitué par une alternance d'étages de fusion et délaçage de conduits : il s'agit là uniquement d'une question de point de vue, liée au sens de parcours d'un fluide. - La structure de chaque réseau arborescent de conduits peut être obtenue par l'application itérative à une canalisation principale d'une ou plusieurs opérations de base, constituée chacune d'une subdivision avec changement d'échelle et d'un entrelacement de conduits. - Les conduits d'au moins deux réseaux arborescents peuvent être en contact thermique entre eux. - L'entrelacement entre deux conduits peut être réalisé par des sections coudées de manière symétrique desdits conduits. - En variante, l'entrelacement entre deux conduits 25 adjacents est réalisé par une rotation continue d'une paroi séparant lesdits conduits, qui prend ainsi une forme en hélice. - Le contacteur peut être constitué par l'association d'un premier et d'un deuxième contacteur élémentaire tels que décrits ci-dessus, reliés en série avec une orientation opposée, ledit deuxième contacteur 30 élémentaire étant configuré de manière à permettre de recombiner un ou plusieurs écoulements fluides subdivisés entre plusieurs conduits entrelacés par ledit premier contacteur élémentaire, et à conduire ainsi chaque fluide vers le conduit de sortie approprié. En particulier, ledit deuxième contacteur élémentaire peut être configuré de manière à ne pas mélanger les fluides s'écoulant dans les différents réseaux arborescents constituant ledit premier contacteur élémentaire. En variante ledit deuxième contacteur peut, au contraire, être configuré de manière à mélanger les fluides s'écoulant dans au moins deux réseaux arborescents dudit premier contacteur élémentaire. Ce deuxième contacteur peut en particulier être configuré de manière à permettre une homogénéisation des débits de fluides s'écoulant à l'intérieur de différents conduits, en compensant ainsi les différences de perte de charge fluidique entre différents chemins à travers les réseaux arborescents du contacteur. - Lesdits premiers et deuxièmes contacteurs élémentaires peuvent être séparés par une section comprenant des canaux parallèles et non-entrelacés. - Lesdits premier et deuxième contacteurs élémentaires peuvent être séparés par une section de mélange dans laquelle des conduits appartenant à des réseaux arborescents différents sont fusionnés. Cette section de mélange peut avantageusement être constituée par des conduits profilés de manière à favoriser le brassage d'un fluide circulant à leur intérieur. - L'invention est compatible avec différents sens d'écoulement relatifs des fluides mis en jeu, et permet une variété de combinaisons. Ainsi dans le cas le plus simple de deux fluides en contact thermique seulement (échangeur de chaleur), les deux fluides peuvent s'écouler de manière globalement parallèle et dans le même sens (configuration dite "à cocourant"). Les conduits d'entrée sont dans ce cas situés du même côté de l'échangeur, et les conduits de sortie du côté opposé. Mais, dans le même dispositif, il est possible d'intervertir l'entrée et la sortie de l'un des fluides pour réaliser une configuration dite "à contre-courant". Dans le cas de plus de deux fluides, une grande variété de configuration est possible. L'invention porte également sur : - La fabrication d'un contacteur tel que décrit ci-dessus par un procédé de stéréolithographie ; et - L'utilisation d'un tel contacteur pour réaliser 5 simultanément ou successivement au moins deux opérations distinctes choisies parmi : des échanges thermiques entre fluides, des mélanges de fluides et des réactions chimiques en phase fluide. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - la figure 1, un schéma du principe à la base de l'invention ; - la figure 2, une vue en coupe longitudinale d'un contacteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, pouvant être 15 utilisé en tant qu'échangeur de chaleur ; - les figures 3A à 3E, des vues en coupe transversale de ce même contacteur, illustrant les opérations de subdivision et entrelacement de conduits ; - les figures 4A et 4B, d'autres vues en coupe transversale 20 de ce même contacteur, illustrant les opérations de recombinaison et délaçage de conduits ; - la figure 5, une vue en élévation d'un contacteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, pouvant être utilisé en tant que réacteur chimique ; 25 - les figures 6A à 6H des vues en coupe transversale de ce même contacteur, illustrant les opérations de subdivision/entrelacement, fusion et recombinaison/délaçage de conduits ; - Les figures 7A à 7L, des vues en coupe transversale d'un contacteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention, permettant 30 de réaliser un mélange homogène de deux fluides ; - La figure 8, des vues en coupe transversale d'un contacteur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, permettant 6 de réaliser un mélange homogène de seize fluides ; la suite des coupes illustre la succession de chiasmes permettant le passage d'une échelle de division des fluides à l'échelle immédiatement inférieure; - La figure 9, une représentation en négatif de la 5 structure tridimensionnelle interne d'un contacteur selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; - Les figures 10A, 10B, 10C et 11, deux géométries alternatives pour la réalisation de chiasmes permettant l'entrelacement ou le délaçage de conduits dans un contacteur selon l'invention. 10 - Les figures 12A à 12L, la structure d'un contacteur selon un sixième mode de réalisation de l'invention ; et - La figure 13, d'une manière très schématique, la structure d'un contacteur selon un septième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente, d'une manière très schématique, en 2 15 dimensions, le principe géométrique à la base de l'invention. Comme le montre cette figure dans le cas de deux fluides, et dans une représentation plane, un contacteur selon l'invention est constitué par deux réseaux arborescents de conduits, A et B, enchevêtrés entre eux. Chacun desdits réseau est obtenu par subdivisions successives (binaires dans cette 20 illustration) d'un conduit principal d'entrée (CPA, CPB) ; les conduits issus de chaque subdivision sont entrelacés, c'est à dire qu'ils (ou plutôt, certains d'entre eux) changent de place avec un conduit adjacent. De cette manière, chaque filet de fluide partage avec les filets voisins de l'autre réseau de conduits une paroi solide de grande surface spécifique (surface par unité de 25 volume). Cette paroi permet un échange thermique intensifié à la fois du fait de cette surface spécifique importante, mais aussi du fait des effets de micro-turbulence provoqués par la tortuosité des conduits. L'invention généralise ce principe d'une part à une géométrie tridimensionnelle, d'autre part à un nombre de fluides pouvant être supérieur à deux. 30 Une fois atteint le niveau de subdivision maximal des conduits (qui correspond généralement à des conduits d'environ 1 mm de diamètre,

7 voire moins), plusieurs opérations sont possibles, en fonction de l'opération envisagée. Une première possibilité consiste à désenchevêtrer les réseaux en procédant à des délaçages et à des réunifications de conduits, pour aboutir à un conduit principal de sortie unique pour chaque réseau. Cela peut être obtenu en reliant en série deux contacteurs élémentaires, du type de la figure 1, ayant une structure complémentaire et une orientation opposée. Une telle possibilité convient à la réalisation d'échangeurs de chaleur, dans lesquels les écoulements fluides des différents réseaux doivent demeurer séparés. Une deuxième possibilité consiste à supprimer les cloisons séparant les différents conduits (ou certains d'entre eux), de manière à permettre aux fluides qui s'écoulent dans les différents réseaux de se mélanger.

Si seulement certaines cloisons sont supprimées, il est possible de prévoir une section de délaçage/recombinaison des conduits restants pour améliorer l'homogénéité du mélange. Il est également possible d'envisager une configuration mixte comportant par exemple trois réseaux dans lesquels s'écoulent trois fluides différents ; après des multiples subdivisions et entrelacements, deux des réseaux sont fusionnés pour permettre un mélange réactif des fluides correspondant, tandis que le troisième réseau reste séparé pour servir d'élément de refroidissement ou de réchauffage ; enfin, les deux réseaux restants sont séparés par délaçage/recombinaison des conduits.

Des variantes de l'invention peuvent également comporter plus de trois réseaux arborescents de conduits. Il n'y a pas de limitation de principe au nombre de réseaux. Ces différents modes de réalisation de l'invention seront décrits en détail ci-après.

La figure 2 montre une vue en coupe d'un contacteur selon l'invention, d'un type adapté à la réalisation d'un échange thermique entre fluides qui ne se mélangent pas matériellement.

8 Cette figure illustre d'une part l'allure générale d'un tel contacteur, constitué d'une première section (ou contacteur élémentaire) de subdivision/entrelacement, SI, et une deuxième section (ou contacteur élémentaire) de recombinaison/délaçage, S2. Le contacteur présente deux canalisations principales d'entrée CPA, CPB, permettant l'introduction de deux fluides FA et FB, et deux canalisations principales de sortie CP'A, CP'B permettant l'évacuation de ces fluides. On suppose ici que les deux fluides FA et FB rentrent dans le contacteur du même côté, dans une configuration dite "à co-courant". Cependant, ces fluides peuvent également entrer par les extrémités opposées, dans une configuration "à contre-courant". Les canalisations d'entrée et de sortie sont d'ailleurs interchangeables, car la structure représentée sur la figure est symétrique. Le contacteur se présente sous la forme d'une alternance d'étages de subdivision, ES1 à ES4 etc. et d'étages d'entrelacement EL1, EL2, 15 EL3. Au niveau du premier étage de subdivision ES1, les deux canalisations principales d'entrée sont subdivisées en quatre conduits secondaires, qui sont ensuite entrelacés (étage EL1). Après le quatrième et dernier étage de subdivision ES4 on obtient 44=256 conduits entrelacés. Puis, 20 les opérations de recombinaison et délaçage commencent, dans la deuxième section du dispositif, pour concentrer et désenchevêtrer les deux réseaux arborescents, de manière à aboutir aux deux canalisations principales de sortie CP'A, CP'B. Les opérations de subdivision et entrelacement seront 25 maintenant décrites plus en détail à l'aide des figures 3A û 3E qui représentent, d'une manière très schématique, des coupes transversales du dispositif de la figure 2. Dans ces figures, le fluide FA s'écoulant dans le premier réseau A est représenté en blanc, et le deuxième fluide FB s'écoulant dans le deuxième réseau B est représenté en gris. 30 La figure 3A montre la configuration dans la section d'entrée du contacteur, juste en aval de la première subdivision des canalisations principales d'introduction des fluides. Cette section de forme rectangulaire ou

9 carrée est divisée en quatre compartiments. Chaque canalisation d'introduction alimente deux de ces compartiments. Les flèches noires indiquent l'opération de permutation (laçage, entrelacement) qui va être réalisée sur ces deux compartiments, et que l'on appellera par la suite un "chiasme". La figure 3B illustre la configuration en aval de ce chiasme, c'est-à-dire juste en aval du premier étage d'entrelacement. On peut voir que les deux fluides se trouvent en position alternée. Cette configuration en échiquier est dite "génératrice", car les configurations ultérieures sont obtenues en la réduisant à l'échelle et en la reproduisant de multiples fois. La figure 3C montre la configuration du contacteur immédiatement en aval du deuxième étage de subdivision. Encore une fois, chaque conduit est divisé en quatre ; les flèches noires indiquent les quatre chiasmes qui constituent la deuxième opération d'entrelacement (on parle de laçage générateur ). La figure 3D montre la configuration obtenue après cette opération : on peut voir que la nouvelle configuration en échiquier peut être obtenue en remplaçant chaque groupe de quatre conduits de la figure 3C par la configuration génératrice de la figure 3B réduite linéairement à l'échelle 'A, d'où le nom de cette dernière.

La figure 3E montre enfin la configuration à 64 conduits obtenue par la troisième subdivision, ainsi que les 16 chiasmes réalisés par le troisième et dernier étage d'entrelacement. On remarquera que ces 16 chiasmes sont groupés de manière à former quatre laçages générateurs . On comprend donc que la structure de chaque réseau arborescent de conduits du contacteur est obtenue par l'application itérative à la canalisation principale correspondante d'une opération de base, constituée d'une subdivision suivie par un entrelacement de conduits. Par une ultérieure subdivision de la configuration de la figure 3E on obtient une configuration finale de 256 conduits disposés en échiquier, qui correspond à une juxtaposition de 64 configurations génératrices reproduites à une échelle (linéaire) de 1/8.

Io Les subdivisions et entrelacements successifs augmentent considérablement localement la surface d'échange thermique entre les deux fluides. Une approche simpliste consisterait à mesurer le périmètre des compartiments adjacents, qui est multiplié par deux à chaque itération (en faisant abstraction de la périphérie du dispositif), ce qui donnerait donc un accroissement d'un facteur 64 de la surface d'échange par unité de volume entre la configuration de départ (figure 3A) et d'arrivée. En réalité, comme cela sera discuté plus loin, la géométrie complexe des chiasmes amplifie encore ce facteur.

La configuration finale (à 256 conduits) peut être maintenue sur une certaine longueur. On a alors une configuration de conduits parallèles avec fluides alternés, qui serait difficile à réaliser autrement qu'au moyen de la présente invention. En aval de cette section à conduits parallèles, le dispositif de l'invention permet de recombiner les conduits d'un même fluide au moyen d'opérations de "délaçage", qui sont inverses des opérations précédentes. Ceci est illustré, sur la figure 4A, dans le cas d'une configuration à 16 conduits correspondant à celle de la figure 3D, à laquelle sont appliqués les quatre chiasmes du laçage générateur . Le résultat, représenté sur la figure 4B, est une configuration identique à celle de la figure 3C. On peut voir que les conduits sont groupés en quatre groupes de quatre conduits contenant un même fluide, il suffit alors de supprimer les cloisons entre les conduits d'un même groupe (recombinaison ou fusion de conduits) pour revenir à une configuration identique à celle de la figure 3B ; un délaçage supplémentaire permet de revenir à la configuration de la figure 4A, et d'acheminer chaque fluide dans la canalisation de sortie correspondante. L'itération des opérations de subdivision (respectivement, recombinaison) et d'entrelacement (respectivement, délaçage) permet d'augmenter considérablement l'état de division des fluides, d'homogénéiser chaque filet fluide du fait du micromélange interne généré par les chiasmes, et d'augmenter la surface d'échange thermique entre fluides. Toutes ces caractéristiques sont favorables à une bonne efficacité du transfert thermique, 2938778 Il mais également à une bonne homogénéisation dans le contexte d'autres applications que l'échange thermique, qui seront évoquées plus loin. En revanche, il faut signaler que les chiasmes génèrent des pertes de charge, et donc une consommation d'énergie de pompage. 5 Un autre facteur à prendre en considération est que les différents filets fluides correspondant à une même échelle ne subissent pas tous les mêmes pertes de charge, et n'ont donc pas tous le même débit. Il sera montré plus loin comme il est possible de compenser ces hétérogénéités de débit, en particulier dans le cas d'un mélangeur-homogénéiseur. 10 Le principe des opérations qui précèdent peut être étendu à toutes sortes de configurations, mettant en jeu plus de deux fluides, dans des proportions différentes, comportant du mélange, et dans des géométries différentes. En fait, il n'y a pas de limitation de principe au nombre de fluides que l'on peut traiter ; la seule limitation est d'ordre pratique, car la 15 configuration peut devenir de plus en plus compliquée, donc difficile à mettre au point et coûteuse à la fabrication. Un contacteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 5, peut servir de réacteur chimique multifonctionnel, permettent de mélanger intimement deux fluides réactifs tout 20 en échangeant de la chaleur avec un troisième fluide caloporteur. Par exemple, il peut s'agir d'éviter l'élévation de température due à la chaleur de réaction, pour minimiser la formation de produits secondaires. En entrée du dispositif de la figure 5 on distingue quatre canalisations principales, chacune subdivisée en quatre conduits 25 secondaires. Deux de ces canalisations sont destinées à recevoir les fluides réactifs FA et FB via des tubulures d'amenée non représentée ; les deux autres canalisations sont destinées à recevoir un fluide caloporteur Fc. On suppose que le débit total de ce fluide caloporteur est du même ordre de grandeur que la somme des débits des réactifs. La face de sortie (non visible) 30 a une configuration analogue, avec deux canalisations principales véhiculant le mélange de fluides qui a réagi, et deux autres canalisations destinées à l'écoulement du fluide caloporteur.

12 A l'intérieur du contacteur on peut distinguer trois sections reliées en série, qui peuvent éventuellement être réalisées sous la forme de pièces distinctes et assemblables. Dans la première section du dispositif, adjacente aux entrées de fluide et dite section de répartition, chacun des fluides FA, FB et Fc est réparti dans une arborescence de conduits entrelacés de telle sorte que chaque conduit A du fluide FA ait un ou deux voisins B (fluide FB) et un ou deux voisins Cl, C2 (fluides caloporteurs Fci, FC2) et de même pour le fluide FB. La configuration à l'entrée est celle de la figure 6A : on y distingue quatre conduits identiques : un conduit A (blanc), un conduit B (gris clair) et deux conduits Cl (gris foncé) et C2 (noir). Ensuite, des parois de séparation sont introduites pour subdiviser chaque conduit en quatre conduits identiques plus petits (figure 6B). Deux ensembles d'opérations d'entrelacement (figures 6B et 6C) sont effectuées, ce qui conduit à la configuration de la figure 6D. On peut remarquer que cette configuration est constituée par la configuration de base de la figure 6A répétée quatre fois à l'échelle linéaire '/2. En itérant les opérations de subdivision et d'entrelacement on parvient à la configuration de la figure 6E, comportant 16 répétitions de la configuration de base pour un total de 64 conduits.

A ce stade, les réactifs FA et FB sont encore séparés, s'écoulant dans des conduits distincts, et il n'y a donc pas de réaction. Néanmoins, tous les fluides sont en contact thermique à travers les parois du réacteur, conductrices de la chaleur. Les fluides Fc,, FC2 peuvent ainsi être utilisés pour amener les réactifs à une température appropriée au démarrage de la réaction. Le degré de division indiqué ici n'est qu'une illustration. Comme il a été montré plus haut, un degré de division encore plus élevé peut être obtenu en itérant l'ensemble des opérations qui ont conduit à la figure 6E. Dans une deuxième section du dispositif, dite section de réaction, les parois séparant les conduits A et B des réactifs sont supprimées ( fusion des conduits). Les fluides FA et FB sont donc mis en contact dans des conduits plus larges, dont la section est illustrée en figure 6F, et ils

13 commencent à réagir en dégageant de la chaleur (dans le cas d'une réaction exothermique) ou bien en absorbant de la chaleur (réaction endothermique). Cette section peut être constituée de conduits rectilignes, mais il est possible d'améliorer à la fois le transfert thermique avec les caloporteurs Fci, FC2 et l'homogénéisation du mélange réactif de différentes façons, notamment en utilisant des conduits profilés et/ou en effectuant des opérations supplémentaires de division et d'entrelacement. Ainsi la figure 6G illustre la configuration de la section transversale du réacteur après une séquence supplémentaire consistant à subdiviser en deux chaque conduit réactif A+B contenant un mélange des fluides FA et FB, et en effectuant un chiasme entre l'un des conduits obtenus ainsi et un conduit C de fluide caloporteur voisin. On double ainsi la surface spécifique d'échange thermique, tout en provoquant un brassage des filets fluides à l'intérieur de chaque conduit du fait des chiasmes. On peut donner à cette section de réaction la longueur appropriée permettant un temps de séjour approprié au déroulement de la réaction. Une troisième section dite section de collecte, correspond à un délaçage des conduits permettant de recombiner les conduits dans lesquels s'écoulent des fluides de même nature, et de sortir ces derniers du réacteur par deux tubulures. La figure 6H illustre la configuration obtenue après deux séquences de délaçages et de fusion à partir de la figure 6G ; les conduits des fluides caloporteurs ont également été fusionnés dans cet exemple. II y a encore 16 conduits, qui vont être fusionnés par groupes de 4 pour converger vers les tubulures de sortie. La réaction chimique peut se poursuivre dans cette section, ainsi que le transfert thermique. L'ensemble du dispositif permet un écoulement continu des fluides avec des arrangements à contre-courant ou à co-courant, suivant le type de profil thermique que l'on souhaite imposer au milieu réactif.

Le mode de conception géométrique permet de générer un grand nombre de variantes, en fonction du nombre d'itérations, de l'ordre d'entrelacement entre réactifs et fluide caloporteur, de la longueur de la

14 section de réaction et des chiasmes qu'elle comporte. Il est possible également de travailler avec davantage de fluides, par exemple de concevoir un circuit mettant en jeu deux fluides caloporteurs distincts. On reste évidemment maître du débit de chaque fluide par l'utilisation de pompes et de régulations, cependant si on est amené à traiter des débits très différents, il sera avantageux d'adapter la section de passage en conséquence. Un troisième mode de réalisation exemplaire de l'invention concerne un disperseur-homogénéiseur statique, dont la fonction est de mélanger et d'homogénéiser deux milieux fluides, y compris des fluides très 1 o visqueux, voire pâteux. En effet, le "mélange géométrique" est particulièrement efficace ici pour des fluides dans lesquels il est difficile d'obtenir de la turbulence et qui ne diffusent pas spontanément ou rapidement l'un dans l'autre. C'est le cas également pour le mélange de poudres entre elles ou de poudres avec des liquides (à condition néanmoins 15 que ces poudres, et leurs suspensions dans les liquides, aient des propriétés suffisantes de coulabilité). Dans la fonction de ce composant, on distingue plusieurs sous-fonctions: la répartition, la mise en contact ou mélangeage, et l'homogénéisation. Comme dans l'exemple précédent, la répartition comprend 20 elle-même plusieurs opérations de division, et de laçage. La division consiste à diviser le débit unique entrant de chaque fluide en multiples sous-débits (ici, les divisions se font par quatre), tandis que le laçage û ou entrelacement û consiste à entrelacer ces sous-débits des deux fluides par des chiasmes successifs, sans les mettre en contact physique. Le mélangeage est la mise 25 en contact des deux fluides. L'homogénéisation consiste à obtenir un unique débit sortant homogène (à une échelle appropriée) à partir des multiples sous-débits éventuellement hétérogènes engendrés par les opérations précédentes. Elle comprend d'une part un laçage par chiasmes visant à mettre en voisinage des fluides de composition appropriée, d'autre part du 30 mélangeage de groupes de conduits. II est intéressant de noter que, dans les mélangeurs statiques connus de l'art antérieur, les fluides à mélanger sont mis en contact

15 immédiatement, dès leur introduction dans le composant puis, le mélange s'affine tout au long de ce dernier. Au contraire, dans le cas de l'invention, le mélange se fait seulement après une subdivision préalable des phases, et leur entrelacement géométrique ; subdivision et entrelacement qui sont contrôlés très précisément par la constitution même du dispositif. Après mise en contact des fluides, le mélange s'affine (c'est à dire qu'il s'homogénéise) d'une manière semblable à ce qui se produit dans les dispositifs de l'art antérieur. Cette différence peut être avantageuse dans deux situations principales. La première situation est le cas de mélanges ou plusieurs réactions chimiques ont lieu simultanément et "en concurrence", certaines réactions donnant des produits intermédiaires non désirés; la façon de réaliser le mélange des réactifs peut alors jouer rôle important pour éviter ou minimiser ces réactions secondaires. La seconde situation est celle de réactions avec changement de phase, par exemple précipitation d'un composé peu soluble; la nature de ce précipité, et surtout sa morphologie, peuvent dépendre du fait que le contact soit immédiat ou différé. La conception du contacteur selon l'invention permet de différer la mise en contact entre les différents fluides, ce qui permet un meilleur contrôle des réactions chimiques.

La section de répartition d'un disperseur-homogénéiseur statique selon l'invention est structurée comme la première section de l'échangeur thermique de la figure 2. La figure 7A montre la configuration à 64 conduits obtenue à la fin de la section de répartition. Sur cette figure les deux fluides à mélanger sont représentés respectivement en gris et en blanc. Les chiffres à l'intérieur de chaque case représentative d'un conduit indiquent le débit, estimé par simulation numérique, dans ce conduit (unités arbitraires). On peut remarquer une assez forte hétérogénéité (jusque à un facteur trois entre des conduits voisins), due au fait que tous les filets fluides ne subissent pas les même transformations. La section d'homogénéisation est conçue de manière à compenser cet effet. Dans une section de mélange, qui suit la section de répartition, les conduits sont fusionnés par groupes de quatre en supprimant

16 les parois qui séparent les conduits d'un même groupe. Il est possible d'améliorer l'homogénéité interne à chaque conduit ainsi fusionné en profilant la section des conduits de manière à provoquer soit une turbulence, soit un mélange géométrique interne.

Le résultat est donc une configuration à 16 conduits, représenté sur la figure 7B, dans laquelle les nuances de gris et les nombres X/(100-X) reflètent la composition du mélange de fluide, tandis que les nombres isolés représentent des débits relatifs. On observe que les débits sont déjà plus uniformes que dans la configuration de la figure 7A.

Ensuite, dans une troisième section dite d'homogénéisation, des opérations de laçage et de fusion de conduits sont effectuée pour homogénéiser le mélange. L'idée est de rapprocher les conduits dans lesquels s'écoulent des fluides de composition "complémentaires" (par exemple 75/25 et 25/75) et de même débit, afin de les fusionner ultérieurement et d'obtenir une composition 50/50. Le premier laçage est représenté sur la figure 7C, et son résultat sur la figure 7D, où les 8 paires de conduits voisins de compositions complémentaires et débits égaux sont encadrées en gras. Ensuite, pour assurer l'homogénéisation au sein de chacune de ces paires, chacun des 16 conduits est fractionné en quatre (on retrouve ainsi une configuration à 64 conduits), puis deux opérations successives de laçage sont effectuées au sein des paires définies ci-dessus, comme représenté sur les figures 7E et 7F. La figure 7G montre la configuration ainsi obtenue ; sur cette figure, la composition au sein de chacun des 8 groupes de 8 conduits (encadrés en gras) est, en moyenne, 50/50. A ce point, il serait possible de fusionner directement les groupes de 8 conduits de composition moyenne 50/50. Cependant, d'une part les débits ne sont pas identiques dans tous les groupes de 8, et d'autre part il peut subsister des hétérogénéités locales liées à un micromélange insuffisant.

Il est dès lors avantageux d'effectuer des opérations supplémentaires d'homogénéisation, qui ont uniquement un objectif hydrodynamique: améliorer l'homogénéité dans chaque cellule, et équilibrer les débits (indiqués par les nombres). Ici, on effectuera des fusions par groupes de 4, puis un laçage homogénéiseur entre nouvelles cellules (figures 7H et 71). Dans la configuration de la figure 71 on repère des couples de conduits adjacents dont les débits sont égaux ou complémentaires (somme égale à 8). Ces conduits sont fusionnés, puis on effectue un laçage complémentaire (figure 7J) ayant pour but d'homogénéiser le contenu de chacun des huit conduits obtenus après la fusion. Les conduits sont donc fusionnés deux par deux, ce qui donne quatre conduits, qui sont permutés circulairement (figure 7K) afin d'améliorer le micromélange local, et fusionnés dans une tubulure de sortie (figure 7L). En pratique, une configuration aussi complexe ne se justifie que si l'on souhaite mélanger des fluides qui ne se mélangent pas bien spontanément, par exemple en raison de fortes viscosités, de tensions interfaciales élevées, ou de la présence de solides. Dans le cas de fluides bien mélangeables, comme des solutions aqueuses, il est en général suffisant de limiter la structure à quelques étages de subdivision et d'entrelacement, après lesquels l'ensemble des courants est déversé simultanément dans une chambre de mélange simple.

La figure 8 représente la première section d'un disperseurhomogénéiseur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention et adapté pour mélanger plus que deux fluides (seize, pour la précision). On peut ainsi réaliser un pré-mélange de nombreux ingrédients, notamment pour des applications à l'industrie chimique, cosmétique ou alimentaires. En effet, dans certains cas, le mélange simultané de tous les réactifs n'est pas satisfaisant, car il est difficile d'éviter des surconcentrations locales et de disperser des composants minoritaires au sein de composants majoritaires. Sur les figures, les seize fluides sont identifiés par les lettres A à p, et chacun des 16 conduits de fluide d'entrée subit une division en 4 ; les différentes figures montrent les six opérations d'entrelacement (L1 à L6) des 64 conduits ainsi obtenus qui permettent de réaliser le pré-mélange. Pour ne pas surcharger la figure, les lettres de références ne sont pas toujours indiquées pour les conduits qui, d'une étape à l'autre, ne subissent pas de laçage. En comparant la première figure (en haut à gauche) à la dernière (en bas au centre), on voit que cette dernière reproduit 4 fois la configuration de départ à une échelle linéaire de '/2. Il est bien entendu possible d'itérer cette séquence de laçages pour aller vers un état de division plus fin, avant de réaliser la mise en contact physique des fluides, Ceci peut se faire soit brutalement par exemple en faisant déboucher tous les conduits dans une "chambre de mélange" unique, soit progressivement en procédant à des fusions successives de groupes de conduits, comme il a été illustré sur les exemples précédents. De multiples autres combinaisons d'opérations sont possibles suivant la façon dont on veut répartir les fluides les uns dans les autres. La figure 9 représente la structure interne d'un contacteur selon un mode de réalisation de l'invention. Plus précisément, il s'agit d'un "négatif": c'est l'espace des conduits (donc le vide) qui est représenté, tandis que les parois solides délimitant les conduits correspondent aux espaces interstitiels. Le bas de la figure correspond à une section à 4 conduits, tandis que la partie supérieure de la figure montre une section à 64 conduits, obtenue après deux opérations de subdivision et entrelacement.

Dans la structure de la figure 9, les chiasmes sont réalisés sous la forme de sections coudées des conduits, dont le principe est illustré sur les figures 10A à 10C. La figure 10A montre, en trois dimensions et en référence à un système d'axes cartésiens x, y, z ù l'axe z étant parallèle à la direction d'écoulement des fluides dans le dispositif ù le déplacement de l'un des conduits, de section rectangulaire Al de sa position initiale à la cote zo à sa position finale à la cote z4 par l'intermédiaire de quatre opérations successives : un rétrécissement RX dans la direction x à la cote z,, un élargissement Ey dans la direction y à la cote z2, un rétrécissement dans cette même direction y à la cote z3 puis un élargissement EX dans la direction x à la cote z4. Au final en passant de la cote zo à la cote z4,le canal s'est aussi déplacé suivant y, mais a retrouvé sa position initiale en x. Un autre conduit de section B; (non représenté sur la figure 10A), subit une transformation

19 symétrique. La figure 10B montre un chiasme constitué par deux conduits du type représenté sur la figure 10A, agencés de manière symétrique. La figure 10C montre les coupes (x, y) correspondantes des deux conduits aux cotes zo à z4. L'intérêt de cette construction réside à la fois dans sa compacité possible û mise en évidence sur la figure 9 û et dans sa facilité de définition en CAO. Une telle géométrie favorise le mélange hydrodynamique ; en revanche, elle introduit des pertes de charge importantes. La figure 11 montre un mode de réalisation alternatif d'un chiasme pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention. Ce chiasme est obtenu par la rotation autour de sa médiane de la paroi de séparation des deux conduits ; la surface de séparation ainsi générée est une hélice. Par rapport au cas des figures 9, 10a et 10b, les différences portent sur plusieurs points. Spatialement, le chiasme est ici plus progressif, donc moins compact, et il nécessite davantage de hauteur. Par contre, la surface d'échange thermique entre les fluides occupant les deux conduits est plus grande. Du point de vue hydrodynamique, l'écoulement sera moins turbulent, causant un coefficient de transfert thermique (et un mélange hydrodynamique) plus faible mais, par contre, la perte de charge est également plus faible.

Le choix parmi ces géométries (voire d'autres géométries également possibles) relève de compromis entre l'encombrement, lui-même lié au coût de fabrication, l'énergie de pompage, et la qualité du mélange interne, lui-même lié à l'intensité du transfert thermique. Il est intéressant de noter qu'il est possible de dessiner la géométrie d'un chiasme de manière générique, puis de la répliquer autant de fois que nécessaire, avec les changements d'échelle appropriés. Cette démarche itérative ou réplicative est évidemment source d'une grande économie de travail de conception par CAO ; et même la fabrication ne nécessite d'être validée qu'une fois à chaque échelle.

Jusqu'ici l'invention a été décrite en considérant des conduits de section carrée ou rectangulaire, subdivisés en deux ou en quatre (ou, réciproquement, fusionnés par deux ou par quatre) à chaque étage du

20 contacteur. Cependant, il ne s'agit pas d'une limitation fondamentale. Il est évidemment possible d'appliquer toutes les opérations décrites ci-dessus à des conduits de section circulaire, elliptique, ou hexagonale par exemple ; seul le détail de la géométrie des chiasmes doit être modifié en conséquence.

Mais la géométrie circulaire permet des possibilités nouvelles. A titre d'exemple, les figures 12A et 12B représentent la structure de la section de répartition d'un mélangeur binaire de section hexagonale ou circulaire, formé à partir de deux tubes devenant concentriques et en réalisant un pavage des sections par des triangles. II est commode de raisonner sur des formes hexagonales. Des parois supplémentaires sont mises en place pour diviser chacun des deux conduits d'entrée en 6 puis 12 puis 48 conduits. Après chaque division, des chiasmes sont effectués entre des compartiments voisins contenant des fluides différents. Le principe des entrelacements est analogue au cas des exemples précédents, mais avec des particularités importantes. D'abord le pourtour des conduits est ici un triangle (la présence éventuelle d'un côté courbe ne change rien au principe) au lieu d'être un rectangle et le dessin détaillé du chiasme est différent. Les divisions se font toujours en quatre, mais elles se font suivant une logique triangulaire où chaque triangle est divisé en 4 sous- triangles égaux ; en outre les chiasmes se font entre des triangles adjacents sur une même "couronne" ou entre couronnes voisines. Comme pour les conduits carrés, il existe une configuration "génératrice" qui peut être itérée autant de fois que souhaité. Les figures 12C à 12J montrent, dans une géométrie hexagonale plus simple à représenter qu'une géométrie circulaire, les différentes étapes de subdivision et entrelacement qui conduisent à la configuration de sortie de la figure 12K, comportant 96 conduits. La figure 12C est une coupe de la zone d'entrée où les deux conduits sont concentriques.

La figure 12D est obtenue à partir de la figure 12C par déformation des parois du conduit "intérieur": (gris) chaque face de l'hexagone intérieur est "tirée" vers l'extérieur jusqu'au contact de la paroi

21 extérieure, formant ainsi une étoile de David qui subdivise le conduit extérieur (blanc) en six losanges, subdivisés à leur tour en douze conduits triangulaires. L'intérieur de l'étoile est à son tour subdivisé en douze conduits triangulaires. Des flèches indiquent les chiasmes qui vont être effectués entre six couples de conduits de la "couronne" externe. La figure 12E montre le résultat de ces chiasmes et indique un deuxième groupe de chiasmes mettant en jeu la couronne externe mais également la couronne interne. Le résultat est montré par la figure 12F, indiquant aussi un troisième groupe de chiasmes portant uniquement sur la couronne interne. La figure 12G (agrandie) montre le résultat de cet ensemble de trois transformations initiales, qui n'est pas itératif. Cette figure 12G constitue la configuration "génératrice", c'est-à-dire celle que l'on peut itérer. La figure 12H montre cette même configuration génératrice , dans laquelle chaque conduit triangulaire est divisé en quatre triangles égaux (équilatéraux dans l'exemple) formant quatre "couronnes". On est passé de 2x12 conduits (figure 12G) à 2x48 conduits (figure 12H). On indique aussi par des flèches un premier groupe de chiasmes, portant sur la 2ème couronne à partir de l'extérieur.

Le résultat de ces chiasmes est représenté sur la figure 121, où l'on introduit un 2ème groupe de chiasmes entre couronnes adjacentes. La figure 12J donne le résultat de ces chiasmes. A ce point, la structure doit subir une opération de "terminaison" non-itérative, représentée par l'ensemble de chiasmes indiqués. Ceux-ci sont internes à chacune des trois couronnes externes. Le but de cette opération est d'aboutir à la configuration alternée de la figure 12K dans laquelle chaque conduit blanc partage une paroi avec trois conduits gris et réciproquement. Bien entendu, il aurait été possible d'itérer encore les opérations de subdivision et entrelacement des conduits pour aboutir à une configuration à 384 conduits élémentaires.

La figure 12L illustre la version circulaire de la configuration de la figure 12K, qui peut être obtenue simplement par une déformation continue du dessin. Enfin, la figure 13 illustre une façon encore différente de configurer des divisions et des chiasmes dans une géométrie circulaire. Cette approche est au premier abord plus simple que celle de la figure 12 parce qu'elle ne nécessite pas d'imbriquer deux tubes concentriques; c'est un même tube qui est divisé en secteurs. Le principe des transformations peut être résumé de la façon suivante: la première figure (a) montre une tubulure subdivisée en deux moitiés, une noire et une blanche ; ensuite une paroi séparatrice est introduite, et un premier chiasme est introduit entre un secteur blanc et un secteur noir, conduisant à la deuxième figure (b) qui montre une configuration de base à quatre secteurs de couleurs alternées ; une ultérieure subdivision binaire suivie par deux chiasmes (c) conduit à une configuration (d) à huit secteurs alternés ; puis quatre parois séparatrices formant une losange subdivisent la tubulure en une région intérieure et une région extérieure (e) ; quatre chiasmes sont effectués dans la région intérieure, conduisant à une configuration (f) constituée par quatre unités de base, chacune desquelles correspond à une configuration de base à quatre secteurs analogue à (b) ; une ultérieure subdivision binaire de chaque configuration de base, suivie par des chiasmes (g) conduit à la configuration de la figure (h). Les transformations (c) à (e), constituées par des subdivisions suivies par des chiasmes peuvent être itérées ultérieurement de manière à conduire à une structuration de plus en plus fine de la section de la tubulure.

Toutes les transformations utilisées dans les exemples précédents sont itérables: une fois que l'on a construit une configuration initiale et identifié le ou les laçages générateurs, il suffit de le reproduire aux différentes échelles, ce qui simplifie grandement la conception, et cette reproduction n'est nullement limitée; on peut donc en principe générer autant de conduits que l'on veut. Les techniques de fabrication relèvent des techniques de prototypage et fabrication rapides (Rapid Prototyping and Manufacturing).

Parmi celles-ci, celle qui parait être la mieux adaptée à la réalisation de contacteurs selon l'invention est la stéréolithographie, c'est-à-dire la création de solides point par point en trois dimensions par des techniques de solidification laser.

La fabrication de "maquettes froides" (c'est-à-dire ne mettant pas en jeu de transferts thermiques ou de températures élevées) en résine polymère de type époxy se fait par stéréo-photo-polymérisation laser à partir d'un bain de monomère liquide polymérisable par irradiation UV par exemple. Le solide est formé couche par couche (couches de 200 microns typiquement) par balayage d'un pinceau laser piloté automatiquement à partir d'un fichier décrivant la géométrie de la pièce, et focalisé à la surface du bain de monomère. On voit que, pour former un solide de 20 cm d'épaisseur, il faudra par exemple réaliser 1000 couches de 200 microns. Si l'on compte une trentaine de secondes par couche, cela donne environ 8h30 de fabrication. A la fin du processus de polymérisation, la pièce se trouve immergée dans le bain liquide. Elle en est extraite, puis le liquide restant dans les espaces non solidifiés (la "porosité" de la structure) est expulsé par drainage et/ou, rinçage, ou bien il est chasse par air comprimé. Une alternative à la technique partant de monomères liquides est le frittage laser de poudres de matériaux plastiques, typiquement des poudres de polyamides ou de polystyrène. Le principe de la mise en oeuvre du laser est le même que ci-dessus, mais le phénomène de photo-polymérisation est remplacé ici par le frittage, c'est-à-dire par une fusion ou un ramollissement de surface des particules de polymère, qui les amène à adhérer, formant ainsi un solide, que l'on purge par la suite des particules libres restantes. La pièce peut ensuite être consolidée par un traitement thermique au four. De nombreuses sociétés de service proposant du prototypage rapide sont maintenant dotées d'équipements de stéréolithographie de polymères, et c'est donc devenu une technique commerciale classique.

La fabrication de "maquettes chaudes" en métal, propices aux opérations impliquant des températures élevées et des transferts thermiques, peut se faire sur le même principe, mais à partir de poudres métalliques (granulométrie typique: 40 microns) par la technique dite de "frittage métal direct" ou encore "microfusion laser", (DMLS = Direct Metal Laser Sintering) donnant directement un module solide compact, bon conducteur thermique, ne nécessitant même pas de post-traitement au four. Une technique alternative plus "légère" consiste à effectuer un frittage plus superficiel, suivi d'un frittage final au four, puis éventuellement d'une infiltration de métal liquide. Ces techniques peuvent être considérées comme des formes particulières de stéréolithographie. Par comparaison au frittage de polymères, les lasers utilisés pour le frittage des métaux sont nettement plus puissants.

Ces techniques sont maintenant largement commerciales et se trouvent couramment chez les prestataires de prototypage rapide. Des machines de microfusion sont même installées dans des centres techniques universitaires ou certains lycées techniques. Le fournisseur et développeur principal en Europe est la société EOS (Electro-Optical Systems) Technology (www.eos.info/en/company) Il n'y a pratiquement pas de limite à la nature des métaux qui peuvent être mis en oeuvre (la limitation vient de la commercialisation des poudres correspondantes). Par exemple EOS propose des alliages à base de bronze, des aciers courants, des bases Nickel, des superalliages de type Cobalt- Chrome, des alliages légers à base Titane. La précision des pièces est typiquement de l'ordre de 50 microns. II est intéressant de noter que les dimensions horizontales de l'objet jouent peu dans la durée de fabrication (le balayage proprement dit de la surface est rapide). Cependant, les appareils courants actuels ont des "plateaux" qui limitent les pièces à environ 30x30 cm. La réalisation de pièces plus grandes par ces techniques peut se concevoir de manière modulaire et passe alors par l'assemblage de modules, par une technique de brasure par diffusion qui est adaptée aux métaux relevant de la microfusion La céramique est une autre famille de matériaux utilisables, notamment pour fabriquer des maquettes chaudes. Pour fabriquer un contacteur en céramique on procède par photo-polymérisation d'une suspension dense de particules de précéramique dans un monomère liquide,

25 suivie de traitements thermiques à haute température éliminant le polymère (déliantage) et conduisant à une céramique réfractaire (frittage, cuisson). Là encore, il n'y a pas de limite de principe aux matériaux utilisables. Le Centre de Transfert de Technologies Céramiques (CTTC) et la société CERAMPILOT de Limoges (www.ceram-center.com) proposent par exemple des matériaux à base de silice, d'alumine, de zircone, d'oxyde de magnésium, de carbure de silicium, de nitrure de silicium, de nitrure d'aluminium, de nitrure de bore. Toute la gamme des céramiques est envisageable, avec une grande variété de propriétés thermiques, mécaniques, dimensionnelles et chimiques.

Du point de vue des matériaux et de leur fonctionnalité, il convient d'ajouter deux points importants. Premièrement, il est possible de fabriquer des pièces en carbone par une approche semblable à celle des céramiques, combinée éventuellement à de l'infiltration suivie de cuisson; ces deux dernières opérations utilisées par une société comme Le Carbone Lorraine pour fabriquer des échangeurs et contacteurs à base carbonée à haute résistance chimique. En outre, il est possible de fonctionnaliser ou de modifier la surface des pièces obtenues par des techniques classiques de dépôt chimique en phase vapeur (CVD û chemical vapor deposition ) ou de dépôt en phase liquide, par exemple par dépôt électrolytique ou par évaporation ; cette possibilité est importante pour la réalisation de réacteurs catalytiques, et ne diffère pas fondamentalement de ce qui se fait pour fabriquer des pots catalytiques d'automobile par exemple; mais elle permet aussi le cas échéant de revêtir les surfaces d'une couche résistant à la corrosion Des simulations numériques et des études expérimentales ont démontré l'efficacité du contacteur de l'invention du point de vue de l'échange thermique et de ses capacités de mélange. Les pertes de charges dues aux laçages ont également été étudiées expérimentalement. Il est intéressant de noter que ces pertes de charge sont inférieures de un ou deux ordres de grandeur à ce qui était prévu sur la base d'un modèle analytique. II s'agit là d'un effet inattendu et très avantageux, qui augmente considérablement l'utilité et les possibilités d'application de l'invention.

Claims (16)

1. REVENDICATIONS1. Contacteur pour la réalisation d'opérations de transfert thermique, de mélange et/ou de réactions chimiques entre fluides, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux réseaux arborescents de conduits (A, B), enchevêtrés entre eux par entrelacement des conduits respectifs.
2. 2. Contacteur selon la revendication 1, dans lequel chaque réseau arborescent (A, B) est constitué par subdivisions successives d'une canalisation principale (CPA, CPB), chaque subdivision conduisant à un nombre plus élevé de conduits plus petits, générant ainsi une structure mufti- échelle ; les conduits issus de chaque subdivision étant entrelacés avec des conduits correspondants de l'autre ou des autres réseaux arborescents.
3. 3. Contacteur selon l'une des revendications précédentes, se présentant sous la forme d'une alternance d'étages de subdivision (ES, ù ES4) des conduits formant les différents réseaux, et d'étages d'entrelacement (EL, ù EL3) desdits conduits.
4. 4. Contacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la structure de chaque réseau arborescent de conduits est obtenue par l'application itérative à une canalisation principale d'une ou plusieurs opérations de base, constituée chacune d'une subdivision avec changement d'échelle et d'un entrelacement de conduits.
5. 5. Contacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les conduits d'au moins deux réseaux arborescents sont en contact thermique entre eux.
6. 6. Contacteur selon l'une des revendications précédentes 25 dans lequel l'entrelacement entre deux conduits est réalisé par des sections coudées de manière symétrique desdits conduits.
7. 7. Contacteur selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel l'entrelacement entre deux conduits adjacents est réalisé par une rotation continue d'une paroi séparant lesdits conduits, qui prend ainsi une 30 forme en hélice.
8. 8. Contacteur constitué par l'association d'un premier (S,) et d'un deuxième (S2) contacteur élémentaire selon l'une des revendications 27 précédentes, reliés en série avec une orientation opposée, ledit deuxième contacteur élémentaire étant configuré de manière à permettre de recombiner un ou plusieurs écoulements fluides subdivisés entre plusieurs conduits entrelacés par ledit premier contacteur élémentaire.
9. 9. Contacteur selon la revendication 8, dans lequel ledit deuxième contacteur élémentaire est configuré de manière à ne pas mélanger les fluides s'écoulant dans les différents réseaux arborescents constituant ledit premier contacteur élémentaire.
10. 10. Contacteur selon la revendication 8, dans lequel ledit deuxième contacteur est configuré de manière à mélanger les fluides s'écoulant dans au moins deux réseaux arborescents dudit premier contacteur élémentaire
11. 11. Contacteur selon la revendication 10, dans lequel ledit deuxième contacteur élémentaire est configuré de manière à permettre une homogénéisation des débits de fluides s'écoulant à l'intérieur de différents conduits, en compensant ainsi les différences de perte de charge fluidique entre différents chemins à travers les réseaux arborescents du contacteur.
12. 12. Contacteur selon l'une des revendications 8 à 10 dans lequel lesdits premier et deuxième contacteur élémentaires sont séparés par une section comprenant des canaux parallèles et non-entrelacés.
13. 13. Contacteur selon l'une des revendications 10 ou 11, dans lequel lesdits premier et deuxième contacteur élémentaires sont séparés par une section de mélange dans laquelle des conduits appartenant à des réseaux arborescents différents sont fusionnés.
14. 14. Contacteur selon la revendication 13, dans lequel ladite section de mélange est constituée par des conduits profilés de manière à favoriser le brassage d'un fluide circulant à leur intérieur.
15. 15. Fabrication d'un contacteur selon l'une des revendications précédentes par un procédé de stéréolithographie. 28
16. 16. Utilisation d'un contacteur selon l'une des revendications s précédentes pour réaliser simultanément ou successivement au moins deux opérations distinctes choisies parmi : des échanges thermiques entre fluides, des mélanges de fluides et des réactions chimiques en phase fluide.