Etude cinétique et mécanistique en liquéfaction directe du charbon : Impact des conditions opéartoires et dusolvant donneur d'hydrogène

Mechanistic and kinetic study in direct coal liquefaction : effect of the hydrogen donor solvent and the operationg conditions

• Auteur / Autrice : Caroline Besson Blondel
• Direction : Christophe Geantet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 16/10/2013
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IFP Energies Nouvelles
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Lancelin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Geantet, Bertrand Ligouis, Damien Hubedine, Nadège Charon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafael Kandiyoti, Jean-Noël Rouzaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solvants

Catalyseurs

Charbon

Charbon -- Liquéfaction

Mots clés libres

Liquefaction

Hydrogene

Charbon

Coke

Liquefaction

Hydrogen

Coal

Coke

Résumé

L’objectif de la thèse est de comprendre et de modéliser les principaux phénomènes chimiques qui gouvernent les performances du premier réacteur, et en particulier le rôle du solvant donneur d’hydrogène, ainsi que les interactions entre charbon, solvant, hydrogène gazeux et catalyseur. L’impact des conditions opératoires telles que la température, la pression d’hydrogène, le temps de séjour ainsi que l’impact de la qualité de la charge (type de charbon et teneur en cendres) et du type de solvant ont également été évalués. Ce travail s’articule autour d’une partie expérimentale réalisée en autoclave et d’une partie modélisation basée sur un schéma réactionnel simplifié et sur un regroupement par familles chimiques. Dans un premier temps, la partie expérimentale a consisté à mettre au point une stratégie adaptée à l’étude. L’outil utilisé est un réacteur batch de type autoclave fonctionnant jusqu’à 25 MPa et 450°C qui sont des conditions opératoires classiques en hydroliquéfaction du charbon. La charge de référence utilisée est un charbon Illinois n°6, bien connu dans la littérature. Le solvant utilisé est le 1,2,3,4-tétrahydronaphtalène (tétraline) qui est une molécule naphténo-aromatique potentiellement donneuse d’hydrogène et qui a été couramment utilisée au laboratoire pour ce type d’étude. Enfin, un seul catalyseur sulfuré NiMo/Al2O3 a été testé, l’objectif de cette étude ne portant pas sur ce paramètre. Un protocole spécifique de post-traitement a été optimisé pour séparer les différentes fractions de liquéfiats produits, avant leur caractérisation. La démarche originale mise en place dans ce travail a consisté à fractionner les liquéfiats par microdistillation à bande tournante (50 plateaux théoriques) puis à fractionner la coupe résidu sous vide via des extractions par solvants. La microdistillation a ainsi permis de séparer les liquides en quatre coupes : Pi-230°C, 230-350°C,350-450°C et 450°C+, avec une bonne performance de séparation, isolant notamment la quasi totalité du solvant dans la fraction légère, performance difficile à atteindre sur des outils plus classiques. Chacune de ces coupes a été analysée en distillation simulée par chromatographie gazeuse et par analyses élémentaires CHONS. Le résidu sous vide (450°C+) a ensuite été fractionné en huiles lourdes, asphaltènes et préasphaltènes, par solubilité dans l’heptane et le toluène respectivement. Ce protocole a été appliqué à chacun des 66 essais de liquéfaction réalisés dans l’autoclave, ce qui a permis d’effectuer des bilans matières complets et d’évaluer l’impact des conditions opératoires, des interactions solvant-phase gaz-catalyseur et des différentes charges. Pour chaque bilan, le taux deconversion, les structures de rendements et les performances en hydrotraitement ont été déterminés ainsi que la répartition entre la phase gaz et le solvant dans l’hydrogénation du charbon.

This work deals with the understanding and the modeling of coal hydroliquefaction mechanisms, more precisely the impact of operating conditions and H-donor solvent -hydrogen gas phase-catalyst interactions. Experimental tests are performed in a batch reactor by using Illinois #6 coal, tetralin and NiMo/Al2O3 catalyst. An original separation procedure is developped, combinig micor-distillation and solvent extraction. Complete mass balances allow the dtermination of conversion, product yields and product quality. Operating conditions studied are temperature (380° C-420°C), hdrogen pressure (16-22 MPa) and NiMo/Al2O3 presence. Temperatures mainly impacts the firs stage of liquefaction (also called dissolution), hydrogne pressure and catalyst the products quality. Then, tests performed with other solvents (n-undecan or diethylbenzene) and/or under N2 pressure have shown the crucial impact of solvent on the first stage of liquefaction, and and the high impact of gas phase o products quality. These experimental results allow the establishment of kinetic model. In a first step, maceral are transformed into coke, preasphaltenes and hydrotreatment products. Coke formation only depends on temperature. However, preasphaltenes and hydrotreatment products formation highly depends on solvent. Other products (asphaltenes, vacuum distillate, middle distillate, light distillate and gas) are producted from preasphaltenes