Mesure au coeur d'un réacteur de profils spatiaux et temporels sur les phases liquide et solide par analyses spectroscopiques

Measurements inside a reactor of spatial and temporal profiles on liquid and solid phases through spectroscopic analysis

• Auteur / Autrice : Marisa Emanuel De Sousa Duarte
• Direction : Charles-Philippe Lienemann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 17/07/2018
• 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 : Stéphane Daniele
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles-Philippe Lienemann, Joelle Aubin, Matthieu Rolland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Lamonier, Françoise Maugé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carburants diesel

Coke

Chimiométrie

Catalyseurs

Mots clés libres

Catalyseur

Chimiométrie

Coke

Gazole

Hydrotraitement

Hydrodésulfuration

Operando

Réacteur à lit fixe

Catalyst

Chemiometry

Coke

Diesel

Fixed bed reactor

Hydrotreatment

Hydrodesulfurization

Operando

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la catalyse hétérogène pour des applications en raffinage et enpétrochimie. Comme objet d'étude, nous avons ciblé les catalyseurs d'hydrotraitement qui permettentd'éliminer les impuretés contenues dans le pétrole comme le soufre. Ces catalyseurs d'hydrotraitementsont constitués de sulfures de molybdène supportés sur alumine et généralement promus par du nickelou du cobalt.L'enjeu de la thèse porte sur la compréhension des phénomènes mis en jeu au cours de la sulfuration etde la stabilisation (cokage, passivation, évolution de la phase sulfure) des catalyseurs pour la réactiond'hydrodésulfuration des gazoles visant à réduire sa teneur en soufre. Néanmoins, à l'heure actuelleaucune technique ne permet de caractériser le catalyseur lors de la sulfuration en phase liquide (avecou sans DMDS) et du test dans les conditions de température et de pression industrielles.La présente thèse vise le développement d'une « caractérisation operando » de ce type de réaction ens'appuyant sur la spectroscopie Raman, une des seules technique de laboratoire permettant d'effectuerdes analyses avec les contraintes précédemment citées. Une unité, composée d'un réacteur cylindriquetransparent, a donc été conçue et mise au point pour suivre par spectroscopie Raman les phases solideet liquide au cours de la sulfuration et de la réaction d'HDS. Parallèlement, une méthodologie decaractérisation et de focalisation a été développée. Ce montage et cette méthodologie ont permisd'accéder pour la première fois à des profils spatiaux et temporels sur la phase solide dans lesconditions d'activation et de réaction d'hydrotraitement des gazoles en condition d'hydrodésulfuration(30 bar, 350 °C).Malgré un signal de fluorescence probablement liée à la décomposition radicalaire du précurseur desoufre (DMDS) entre 200 et 260°C, il a été possible de suivre au cours du temps à des positions fixesla disparition de la phase oxyde, l'évolution de la phase sulfure et du coke . Ces résultats ontnotamment permis d'étudier l'impact de la charge sur la cinétique de sulfuration .Le suivi spatial, lelong du réacteur par exemple, s'avère plus délicat et nécessitera de développer des méthodes pourcompenser les variations d'intensité du signal Raman induites par le positionnement aléatoire desgrains ainsi que l'écoulement. Concernant la phase liquide, une approche multivariée utilisant desoutils chimiométriques a été appliquée afin de relier l'émission de fluorescence intrinsèque à denombreux diesels à certaines de leurs propriétés (teneur en soufre et en aromatiques, densité…). Lesmodèles ont été développés à partir de spectres acquis à température ambiante et à pressionatmosphérique, mais leurs performances satisfaisantes encouragent à étendre l'approche auxconditions réactionnelles d'HDS qui reste une perspective de ce travail

This thesis is in the field of heterogeneous catalysis for the applications in refining and petrochemistry. As an aim of this study, we have focused on the hydrotreatment catalysts that are applied to remove some of the impurities from crude oils, like sulfur. Such hydrotreatment catalysts consist of alumina supported molybdenum sulfides, being generally promoted by nickel or cobalt.The aim of this work have consisted on the understanding of the phenomena occurring during the stabilization phase (coking, passivation, evolution of the sulfide phase) during the catalysts sulfidation and under the reaction of hydrodesulfurization, HDS, aiming to reduce the diesels sulfur content. A better understanding of these phenomena would ease the development of new generations of more efficient catalysts. This thesis aims at extending the operando characterization methods to allow a spatial and temporal follow-up of liquid and catalyst during this type of reactions. A unit was designed and built to follow the solid and liquid phases during the catalysts sulfidation and under HDS reaction. The operando follow-up was done using Raman spectroscopy through a cylindrical transparent reactor. In parallel, a methodology has been developed to focus and acquire good quality spectra through the reactor..With these reactor and methodology , we were able to access for the first time to time-space resolved profiles of the solid phase during the sulfidation and the diesel hydrodesulfurization (under 350 °C and 30 bar). Temporal profiles concerns the oxide phase disappearance, sulfide phase growth and coke formation. Spatial profiles are more challenging and will require a methodology more robust to signal changes induced by the random position of pellets and flow pattern. With respect to the liquid phase, a multivariate approach based on chemometrics has gave properties of diesels at room temperature and atmospheric pressure. The good results are encouraging enough to propose to extend the approach to HDS conditions that constitutes one of the perspectives of the work