Étude expérimentale et modélisation cinétique de la transformation d’éthanol en butadiène

Experimental study and kinetic modeling of the transformation of ethanol into butadiene

• Auteur / Autrice : Damien Dussol
• Direction : Jean-Marc Schweitzer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 04/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Fongarland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Schweitzer, Yves Schuurman, Richard Vivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine de Oliveira Vigier, Carine Julcour-Lebigue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Réactions chimiques -- Mécanismes

Butadiène

Mots clés libres

1,3 butadiène

Éthanol

Modèle cinétique

Schéma réactionnel

Oxyde de tantale

13-butadiene

Ethanol

Kinetic model

Reaction scheme

Tantala oxide

Résumé

Le butadiène est une molécule d’intérêt industriel qui peut être produite par le procédé dit Ostromislensky, avec l’éthanol en tant que matière première. Cette étude a pour objectif de développer un modèle cinétique pour expliquer la transformation d’un mélange éthanol/acétaldéhyde en butadiène, dans le cadre de la seconde étape de ce procédé. Le modèle cinétique est basé sur un schéma réactionnel et un modèle de réacteur. Le schéma proposé comprend la voie de Gorin Jones, communément acceptée dans la littérature, et une toute nouvelle voie impliquant un intermédiaire buténone. Les étapes clés ont été étudiées spécifiquement via des tests dédiés. Le schéma décrit aussi les étapes amenant aux principaux produits secondaires. Il a été validé à partir d’une base de données expérimentale, générée en amont de l’étude sur une unité de type gaz/solide, lit fixe, isobare (3 bara) et isotherme, avec un catalyseur Ta2O5 SiO2. L’influence des conditions opératoires sur l’effluent a été observée pour trois ratios éthanol/acétaldéhyde et sur des gammes de PPH (1,1 à 8,1 g·gcata 1·h-1) et de températures (320 à 370 °C). Le réacteur (piston dispersif sans limitations diffusionnelles) intégrant des lois cinétiques d’ordre, a été modélisé à l’état permanent via un solveur LSODE. Les paramètres cinétiques ont été estimés via un optimiseur Levenberg Marquardt à partir de la base de données expérimentale. Le modèle cinétique obtenu, basé sur un schéma réactionnel inédit, est en capacité de représenter et de prédire les débits des composés principaux et les tendances et ordre de grandeurs des débits des composés minoritaires selon les effets de PPH, de charge et de température, excepté dans certaines conditions opératoires limites isolées

Butadiene is a molecule of industrial interest that can be produced by the so-called Ostromislensky process, with ethanol as raw material. This study aims to develop a kinetic model to explain the transformation of an ethanol/acetaldehyde mixture into butadiene, as part of the second step of this process. The kinetic model is based on a reaction scheme and a reactor model. The proposed scheme includes the commonly accepted Gorin Jones pathway and a new pathway involving a butenone intermediate. The key steps were specifically studied via dedicated experiments. The scheme describes also steps leading to by products. It was validated from an experimental database, generated upstream of the study on a gas / solid type unit, fixed bed, isobaric (3 bara) and isothermal, with a Ta2O5 SiO2 catalyst. The influence of the operating conditions on the effluent was observed for three ethanol/acetaldehyde ratios and over ranges of PPH (1.1 to 8.1 g·gcata 1·h-1) and temperatures (320 to 370 °C). The reactor (plug flow without diffusional limitations) integrating kinetic laws of order, was modeled in the permanent state via a solver LSODE. Kinetic parameters were estimated via a Levenberg Marquardt optimizer from the experimental database. The kinetic model obtained, based on a brand new reaction scheme, is able to represent and predict the flow rates of the main compounds and the trends and orders of magnitude of the flow rates of the minority compounds according to the effects of PPH, charge and temperature, except under certain isolated operating conditions