Equilibres de phases des fluides oxygénés issus du traitement thermochimique de la biomasse lignocellulosique

Phase equilibria of oxygenated systems derived from thermochemical conversion of lignocellulosic biomass

• Auteur / Autrice : Eric Auger
• Direction : Pascal Tobaly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés - Energétique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liaisons hydrogène

Spectroscopie infrarouge

Polarisabilité (électricité)

Loi des phases et équilibre

Résumé

Le développement de la filière des biocarburants de seconde génération passe par une meilleure connaissance des propriétés thermodynamiques et des équilibres de phases des molécules issues du traitement thermochimique de la biomasse lignocellulosique. Ce sont des molécules pour la plupart oxygénées et multifonctionnelles polaires comme les molécules phénoliques, furaniques, et certains sucres. Basée sur la mécanique statistique, l’équation d’état SAFT (Statistical Associating Fluid Theory) apparaît comme un outil prometteur pour traiter ce type de molécules complexes. Combiné à une contribution de groupes, le modèle GC-PPC-SAFT est rendu prédictif par l’utilisation de paramètres transférables entre familles chimiques complétés par des valeurs expérimentales ou issues de calculs ab initio. Les molécules contenues dans la biohuile étant polaires, différentes améliorations du modèle ont été testées : polarité, polarité + polarisabilité (théorie de la perturbation de Wertheim RPT-1), polarité tronquée (découplage de l’association et de la polarité). Ces extensions ont pour objectif de permettre une description plus fine des effets électrostatiques qui ont une répercussion sur le calcul des équilibres Liquide-Liquide jusque là difficilement représentés. Une série de mesures expérimentales sur la liaison hydrogène par spectroscopie infrarouge permet de coupler ce modèle à des données structurelles. Ces données de fractions de molécules non liées permettent d’orienter l’ajustement des paramètres et ainsi d’augmenter leur sens physique. Confrontée à ces nouvelles mesures expérimentales, la part relative du terme associatif dans l’équation SAFT peut ainsi être évaluée.

Converting lignocellulosic biomass into second generation biofuels is a complex process. It supposes that the thermodynamic properties of the involved molecules are well known to improve the process efficiency. Usually, these molecules are oxygenated, polar and multifunctional compounds such as phenols, furans, and sugars. The SAFT (Statistical Associating Fluid Theory) equation of state, which was developed from statistical mechanics, is considered as an important tool for describing the complex behaviour of these molecules. When combined with a group contribution method, GC-PPC-SAFT allows parameters of a chemical function to be reused from one molecule to another. The model also becomes predictive through the use of experimental or ab initio calculated data. Due to the polar nature of most of the molecules derived from biomass, the model is extended to account for different polar contributions: polarity, polarity and polarisability (perturbation theory of Wertheim RPT-1), and truncation of polarity (in order to separate association and polarity phenomena)). The aim of such an extension is the proper consideration of electrostatic effects which have an important nfluence on Liquid-Liquid equilibrium that is now better estimated. Finally, a series of experimental measurements on H-bonding by FTIR spectroscopy enables the model to be confronted to fluid structural data. Such data of fractions of non-associated molecules are used to improve parameters adjustment and consequently lead to more realistic values. Moreover, the relative proportion of the associating term in the SAFT equation can be assessed.