Des chercheurs d'IFP Energies nouvelles (IFPEN) ont mis au point une méthodologie innovante pour concevoir par CFD (Computational Fluid Dynamics) et fabriquer par impression 3D un réacteur chimique en métal destiné à la production de carburants propres. Si l'impression 3D en métal est déjà utilisée par l'industrie aéronautique et automobile, il s'agit d'une première et d'une véritable prouesse technique pour un réacteur chimique opéré à de hautes conditions de pression et température, et qui met en jeu des réactions entre du gaz, du liquide et du solide.
Pour mettre au point et tester les procédés de production de carburants et d'intermédiaires pour la chimie, les chercheurs d'IFPEN conçoivent des réacteurs pour leurs unités pilotes. Ils ont notamment développé un réacteur chimique agité qui permet l'obtention de réactions entre un gaz et un liquide, en présence d'un catalyseur solide à haute température et pression.
Pour ce type de réacteur complexe et miniaturisé, les méthodes traditionnelles de fabrication ne permettent pas d'obtenir des géométries adaptées. Une équipe de recherche d'IFPEN en génie chimique a proposé une nouvelle manière de concevoir et fabriquer ce réacteur en faisant appel à la fabrication additive.
Pour concevoir le design des internes du réacteur, IFPEN a adopté une démarche scientifique innovante, encore très peu présente dans le domaine du génie chimique, qui associe des outils de modélisation numérique simulant les écoulements des fluides (CFD) à des techniques de validation expérimentale utilisant la fabrication additive.
Une fois la géométrie du réacteur modélisée, un prototype en résine transparente, peu coûteux et de fabrication rapide, est imprimé en 3D pour réaliser les tests hydrodynamiques. Des géométries optimales d'internes ont pu être conçues grâce à des allers-retours rapides entre simulation, fabrications de prototypes et expérimentation. Enfin, le réacteur final en métal a été fabriqué par impression 3D.
IFPEN a ainsi pu concevoir un design de réacteur mieux adapté à ses besoins expérimentaux, à moindre coût et de façon très réactive. Le temps entre la conception scientifique et la fabrication est fortement réduit par rapport aux approches conventionnelles. Par ailleurs, l'impression 3D rend possible la mise au point de réacteurs aux formes plus complexes et de taille plus petite.
Dans ce projet, l'IFPEN s'est associé avec différents acteurs de l'impression 3D et prototypage rapide en Rhône-Alpes. IFPEN a fait appel à Additive3D pour la réalisation des prototypes en résine transparente et à 3D&P, le « spin-off technologique » du groupe industriel Aubry Finance spécialisé dans la fabrication additive, pour la réalisation de la pièce en métal.
Le succès de cette première expérimentation révèle le potentiel de la fabrication additive dans le domaine de la chimie et offre des perspectives à plus long terme. Appliquée aujourd'hui à un outil expérimental, elle pourrait demain s'étendre à des outils de taille industrielle.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
