Conversion du méthane et du dioxyde de carbone sur des membranes poreuses catalytiques

Conversion of methane and carbon dioxide on porous catalytic membranes

• Auteur / Autrice : Alexey Fedotov
• Direction : Mark Tsodikov, Denis Roizard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 10/12/2009
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL en cotutelle avec Institut Topchiev - Moscou - Russie
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du génie chimique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Alexander Alentiev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mark Tsodikov, Denis Roizard, Alexander Alentiev, David Farrusseng, Vladimir Teplyakov, Alain Kiennemann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Farruseng, Alexander Alentiev

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets industriels

Déchets -- Valorisation

Mots clés libres

Reformage à sec

Valorisation de déchets

Nanoréacteurs

Membranes catalytiques

Dry reforming

Waste valorization

Catalytic membranes

Nanoreactors

Résumé

L’étude concerne un nouveau procédé de reformage du gaz naturel en gaz de synthèse par le dioxyde de carbone (RSM), en vue de l'utilisation rationnelle des déchets carbonés industriels pour la production d'hydrocarbures et d'hydrogène. Cette méthode utilise des systèmes à membranes catalytiques inorganiques (SMC) qui favorisent des réactions catalytiques hétérogènes en phase gazeuse dans des micro-canaux céramiques. La surface active des catalyseurs formés à l'intérieur des canaux est faible en termes de superficie, mais elle est caractérisée par une valeur élevée du facteur Surface/Volume du catalyseur, qui induit une efficacité importante de la catalyse hétérogène. Les SMC, formés à partir de dérivés alcoxy et des précurseurs métalliques complexes, contiennent de 0,008 à 0,055% en masse de nano-composants mono- et bimétalliques actifs répartis uniformément dans les canaux. Pour les systèmes [La-Ce]-MgO-Ti02/Ni-Al et Pd-Mn-Ti02/Ni-Al, les productivités de 10500 et 7500 1/h·dm3membr. ont été respectivement obtenues lors du RSM dès 450°C avec une composition de gaz de synthèse H2/?? allant de 0,63 à 1,25 et un taux de conversion de 50% de la charge CH4/CO2 (1/1). Ainsi les SMC sont d’un ordre de grandeur plus efficace qu’un réacteur à lit fixe du même catalyseur. Le RSM est initié par l'oxydation de CH4 par l'oxygène de structure des oxydes métalliques présents en surface, et le CO2 réagit avec le carbone finement divisé provenant de la dissociation de CH4. Une synergie catalytique a été mise en évidence pour le système Pd-Mn. Ces SMC de 108 pores par cm² de surface constituent un ensemble de nano réacteurs de fort potentiel industriel (synthèse d’oléfines, biomasse)

This study reports the development of a new process to convert methane and carbon dioxide (dry methane reforming - DMR) into valuable products such as syngas from non-oil resources. The practical interest is to produce syngas from carbon containing exhaust industrial gases. This process uses membrane catalytic systems (MCS) that support heterogeneous catalytic reactions in gaseous phase in ceramic micro-channels. The active surface of the catalysts formed inside the micro-channels is low in term of area, but it is characterized by a high value of the catalyst surface/volume ratio, which induces a high efficiency of heterogeneous catalysis. The SMC are formed from alkoxy derivatives and precursor metal complex containing between 0.008 and 0.055% by weight of nano-components mono-and bimetallic active distributed evenly in the channels. For systems [La-Ce] -MgO-Ti02/Ni-Al and Pd-Mn-Ti02/Ni-Al, productivities of 10500 and 7500 l/h · dm3 membr. were respectively obtained by RSM at 450°C with a composition of syngas H2/?? ranging from 0.63 to 1.25 and a conversion rate of 50% with a CH4/CO2 (1/1) feed. Thus the CMS is an order of magnitude more efficient than a fixed bed reactor of the same catalyst. The MDR is initiated by the oxidation of CH4 by structural oxygen of metal oxides available on the surface, and the CO2 reacts with the finely divided carbon arising from the dissociation of CH4. A catalytic synergy has been demonstrated for the system Pd-Mn. This CMS, having 108 pores per cm² of surface, can be considered as a set of nano reactors. Thus this new approach is very promising for industry (synthesis of olefins, uses of biomass)