Conception et optimisation d’un réacteur-échangeur structuré pour l'hydrogénation du dioxyde de carbone en méthane de synthèse dédié à la filière de stockage d’énergie électrique renouvelable

Design and optimisation of a structured reactor-exchanger for the carbon dioxide hydrogenation into synthetic methane to the renewable electric energy storage

• Auteur / Autrice : Julien Ducamp
• Direction : François Garin, Nela Ioana Fechete, Philippe Turek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Védrine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Bengaouer, Gérard Mignani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Da Costa, Christian Jallut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Réacteurs chimiques

Méthane

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Power-to-gas

Methanation de C02

Réacteur-échangeur

Modélisation

Catalyseur nickel-alumine

Power-to-gas

C02 methanation

Reactor-exchanger

Modeling

Nickel-alumina catalyst

Résumé

Découverte en 1902, la méthanation du C02 reçoit un intérêt grandissant pour son application aux procédés de stockage d'énergie électrique nécessaires au développement des énergies renouvelables. Sa mise en œuvre requiert le développement de réacteurs catalytiques innovants répondant au cahier des charges de cette application. Ces travaux sont dédiés à l'étude et l'optimisation de trois types de réacteurs-échangeurs conçus au cours de cette thèse :-un réacteur à lit fixe annulaire, -un réacteur à lit fixe milli-structuré et un réacteur à mousses métalliques supports de catalyseur. Leurs performances globales sont déterminées expérimentalement. La désactivation du catalyseur est étudiée et ses causes identifiées. Une modélisation des trois réacteurs permet la simulation de leur fonctionnement. Les propriétés hydrodynamiques et thermiques de leurs structures internes et les vitesses de réaction sont caractérisées expérimentalement. Les résultats numériques des simulations sont comparés aux expériences et complètent l'étude du comportement des réacteurs. Les modèles identifiés permettent finalement d'étudier les limites et les potentiels de ces réacteurs.

Discovered in 1902, the C02 methanation is getting a growing interest for its application to electricity storage processes needed for the development of renewable anergies. lts implementation requires the development of innovative catalytic reactors compatible with the specifications of this application. The present work focuses on the study of three reactor-exchangers designed during this thesis: - an annular fixed bed reactor, a milli-structured fixed bed reactor and a reactor which uses metallic foams as catalyst carriers. Their global performances are experimentally evaluated. The catalyst deactivation is studied and its causes identified. A modeling of these three reactors allows the simulation of their behavior. The hydrodynamic and thermal properties of their internai structure and the reaction kinetics are experimentally characterized . The numerical results of the simulations are compared to the experimental data and complete the analysis of the reactors behavior.The identified models are finally used to study the limits and the potentialities of the reactors.