Developpement d'outils pour l'implémentation d'un procédé de fractionnement supercritique à l'échelle industrielle

Development of tools for the implementation of an industrial-scale supercritical fractionation process

• Auteur / Autrice : Carlos Ariel Pieck
• Direction : Elisabeth Badens, Christelle Crampon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 05/05/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Grandjean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Badens, Christelle Crampon, Maria José Cocero Alonso, Jean-Stéphane Condoret, Frédéric Charton, Vincent Perrut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria José Cocero Alonso, Jean-Stéphane Condoret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technique de la production

Lipides

Séparation (technologie)

Fluides supercritiques

Mots clés libres

Fractionnement supercritique

Modélisation

Changement d’échelle

Capacité d’engorgement

Lipides

Génie des procédés

Supercritical fractionation

Process modeling

Scale-Up

Flooding capacity

Lipids

Chemical engineering

Résumé

Le fractionnement supercritique est un procédé prometteur avec un potentiel d’application encore peu exploité à grande échelle. Les travaux expérimentaux et la discussion théorique qui font l’objet de cette thèse ont pour objectif d’apporter des outils fiables permettant d’effectuer la mise en œuvre d’un procédé de fractionnement supercritique à l’échelle industrielle, en abordant le changement d’échelle et la modélisation du procédé. La première partie du travail porte sur le fractionnement de mélanges éthanol-eau en utilisant du dioxyde de carbone supercritique à 333 K et 10 MPa, sur des unités de fractionnement à échelle du laboratoire, pilote et industrielle, avec des diamètres de colonne respectivement de 19, 58 et 126 mm. Les compositions des produits obtenues, ainsi que les prédictions d’un modèle d’étages d’équilibres, montrent une bonne concordance. Le phénomène d’engorgement est discuté suite à son observation. Une corrélation permettant d’estimer la capacité d’engorgement d’une colonne garnie à contre-courant sous pression est proposée, après avoir exprimé l’ensemble des données répertoriées dans la littérature sous forme adimensionnelle. Les possibles sources de déviations observées sont également discutées afin de proposer des perspectives à ce travail. Enfin, le traitement de mélanges complexes est abordé par la mise en œuvre et la modélisation du fractionnement supercritique d’éthyl esters issus d’huiles de poisson, sous des conditions de 14.5 MPa et 333 K, en variant le rapport solvant sur charge entre 21,8 et 143. Un modèle simplifié est développé afin de représenter l’influence du taux d’extraction sur la composition de l’extrait et du raffinat.

Supercritical fractionation is a promising process with a great potential but with little current large-scale applications. The experimental work and theoretical discussion in this dissertation aim providing tools for the implementation of an industrial-scale supercritical fractionation process by covering aspects such as scale-up and process modeling. In order to do so, three principal axes are discussed. Firstly, the fractionation of ethanol-water mixtures by supercritical carbon dioxide at 333 K and 10 MPa was studied using fractionation units at laboratory, pilot and industrial scale with column diameters of 19, 58 and 126 mm, respectively. The extract and raffinate compositions obtained show good agreement between different scales and with the predictions of an equilibrium-stage model. The flooding phenomenon is also discussed after being detected under certain conditions. A correlation to estimate the flooding capacity of a countercurrent column at high pressure conditions is proposed following a dimensionless representation of the available experimental results presented in the literature. The possible sources for deviations found are also discussed in order to propose future works. Then, the treatment of complex mixtures is tackled by modeling and supercritical fractionation of fatty acid ethyl esters derived from fish oil under 14.5 MPa and 333 K, varying the solvent-to-feed ratio between 21.8 and 143. A simplified model derived from the group method is developed to represent the influence of the extract yield on the composition of the extract and raffinate.