Nouveau procédé d'enrobage de particules en voie sèche et modélisation numérique : préparation de catalyseur solide propre pour la méthanisation

New process of dry particle coating technology and numerical modelisation : preparation of clean solid catalysis for methanisation reaction

• Auteur / Autrice : Hua Liu
• Direction : Nouria Fatah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 14/10/2021
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - UMR 8181 / UCCS
• Jury : Président / Présidente : Aïssa Ould Dris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Dhainaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aïssa Ould Dris, Claudia Cogné
• DOI : 10.70675/e24836f4zd65cz4a41zbfe6zd04e97770429

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supports de catalyseurs

Cisaillement (mécanique)

Méthode des éléments discrets

Méthane

Mots clés libres

Enrobage en voie sèche

Support de catalyseurs

Forces de cisaillement

Picomix

Nanopoudre

Modélisation DEM

Dry particle coating

High-shearing force

Picomix

Nanopowder

DEM modeling

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est de proposer une nouvelle méthodologie pour préparer des supports de catalyseurs pour la réaction de méthanation. En particulier,l’application d’une technique d’enrobage de particules en voie sèche. L'enrobage à sec des particules est considéré comme une technique respectueuse de l'environnement et peu coûteuse. Cependant, il est crucial de comprendre le mécanisme du processus d'enrobage à sec, les facteurs qui affectent la performance de l'enrobage, l'évaluation de la qualité de l'enrobage, la production à grande échelle ainsi que l'exploration de nouveaux champs d'application.Dans ce travail, la méthode de préparation de nouveaux supports de catalyseurs consiste à enrober des particules de γ-Al2O3 et d’acier 316L avec des nanoparticulesde TiO2, SiO2, et Zeolite. Cependant, ces poudres (TiO2, SiO2, et Zeolite) sont très cohésives et forment des agglomérats de tailles incontrôlables, l'échelle nanométrique des poudres pose un problème majeur dans la précision des mesures de la taille. Le processus de revêtement nécessite une analyse des nanoparticules. Cinq techniques d’analyses ont été appliquées et comparées. Le principe de base du processus d'enrobage des particules en voie sèche consiste à mélanger des particules hôtes et invitées sous l'effet des forces mécaniques (impact/compression/force de cisaillement). Particules hôtes : γ-Al2O3 et l’acier 316L ont un diamètre moyen d'environ 67μm et 98.3 μm seront utilisées comme particules hôtes pour préparer de nouveaux supports. Les particules invitées : TiO2, SiO2 et Zeolite de taille nanométrique seront utilisées pour revêtir la surface de γ-Al2O3 et d’acier 316L pour préparer les nouveaux supports (tels que TiO2/γ-Al2O3, SiO2/γ-Al2O3, zéolite/γ-Al2O3, TiO2/S316L,SiO2/S.S316L, zéolite/S316L). L'enrobage des particules en voie sèche est dû aux forces mécaniques/cisaillements et il dépend des paramètres comme les mouvements des particules forces de collisions, interactions entre les particules et l'impact des conditions opératoires (la vitesse de rotation et le temps d'enrobage) dans le mélangeur.Ainsi, on a mis en place un programme de modélisation numérique par DEM (Discrete Element Method) qui semble indispensable pour permettre de répondre et d'expliquer les phénomènes et le mode d'enrobage.Les résultats de l'analyse des nanoparticules ont montré que la technique de diffraction/diffusion laser (LD) met en évidence une plus grande taille de particules de nanopoudres (surestimation) par contre la diffusion dynamique de la lumière (DLS) montre une taille plus petite. La microscopie électronique à transmission (TEM)indique le plus petit diamètre des nanopoudres. Les résultats de l'enrobage met en évidence un bon enrobage par nanoparticules SiO2, TiO2, et Zeolite sur la surface des solides γ-Al2O3 et acier 316L sous 3500 rpm et 5 min. Cependant, pour les mêmes particules invitées avec différentes particules hôtes, le revêtement de l’acier316L montre un enrobage excellent. La modélisation numérique révèle que les principaux facteurs affectant la simulation sont : la vitesse de rotation et la taille des particules. La simulation de l’enrobage, indique que l'énergie interfaciale entre l'hôte et l'invité s'est avérée être le principal paramètre affectant le revêtement.

The objective of this thesis is to propose a new methodology – dry particle coating technique to prepare catalyst supports for the methanation reaction. Dry particlecoating is considered as an environmentally friendly and low-cost technique. However, it is crucial to understand the mechanism of the dry coating process, the factorsaffect the coating performance, the evaluation of the coating quality, the large-scale production as well as the exploration of new application fields.In this work, the method of preparing new catalyst supports is to coat γ-Al2O3 and 316L steel (S.S316L) particles with TiO2, SiO2, and Zeolite nanoparticles. However,these powders (TiO2, SiO2, and Zeolite) are highly cohesive and form agglomerates of uncontrollable sizes, the nanoscale of the powders poses a major problem inthe accuracy of size measurements. The coating process requires analysis of the nanoparticles. Four analytical techniques were applied and compared. The basicprinciple of the dry particle coating process is the mixing of particles under mechanical force (impact/compression/shear force). Host particle: γ-Al2O3 and S.S316Lhave an average diameter of about 67 μm and 98.3 μm will be used as host particles to prepare new carriers. The guest particles: TiO2, SiO2 and Zeolite with nanosizewill be used to coat the surface of γ-Al2O3 and S.S316L to prepare the new substrates (such as TiO2/S.S316L, SiO2/S.S316L, Zeolite/S.S316L and TiO2/γ-Al2O3,SiO2/γ-Al2O3, Zeolite/γ-Al2O3,). The coating of particles in dry process is due to mechanical/shear forces and it depends on collisions, particle movements, interactionsbetween particles and the impact of operating conditions (the rotation speed and coating time) in the mixer. A numerical modeling DEM (Discrete Element Method)has been implemented to answer and explain the phenomena and the coating process.The results of the analysis of the nanoparticles showed that the technique of diffraction/laser scattering (LD) highlights a larger size of particle of the nanopowder(overestimation) on the other hand the dynamic diffusion of the light (DLS) shows a smaller size. Transmission electron microscopy (TEM) indicates the smallerdiameter of the nanopowder. The coating results highlight a good coating by SiO2, TiO2, and Zeolite nanoparticles on the surface of γ-Al2O3 and S.S316L under 3500rpm and 5 min. However, for the same guest particles with different host particles, the S.S316L coating shows excellent coating. Numerical modeling reveals that themain factors affecting the simulation are: rotational speed and particle size. Simulation of the coating indicates that the interfacial energy between the host and theguest is the main parameter affecting the coating.