Etudes numériques et expérimentales pour la conception d'un réacteur de liquéfaction hydrothermale

Numerical and experimental studies for the conception of a robust hydrothermal liquefaction reactor

• Auteur / Autrice : Moeen El Bast
• Direction : Sary Awad, Khaled Loubar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, Thermique, Combustion
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Valorisation Energie-matière des Résidus et Traitement des Emissions - Département Systèmes Energétiques et Environnement - Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Montillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sary Awad, Khaled Loubar, Talib Dbouk, Mahmoud Khaled, Youssef Abou Msallem, Nadine Allam, Frédéric Marias
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Talib Dbouk, Mahmoud Khaled

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception

Réacteurs chimiques

Thermochimie

Transestérification

Liquéfaction

Biomasse

Mots clés libres

Biomasse

Réacteur

Conception

Liquéfaction hydrothermale

Simulation

Biomass

Reactor

Design

Hydrothermal liquefaction

Simulation

Résumé

Dans cette thèse, une conception d'unsystème continu de liquéfaction hydrothermale debiomasse est proposée. Après une étude desdifférents procédés existants de liquéfactionhydrothermale et des différents mécanismes quientrent en jeu, des modèles simulant les différentsphénomènes thermochimiques entrant en jeux ont étéproposés. Ces phénomènes ont été étudiés à l’échelled’un réacteur batch de 1L et modélisés à l’aide dulogiciel COMSOL Multiphysics. Pour ce faire, unecampagne expérimentale est menée sur le réacteur, enpartant du chauffage du réacteur vide et en terminantpar une réaction chimique élémentaire complète ; latransestérification supercritique de l’huile de colza.Les courbes expérimentales de température àdifférents endroits du réacteur et de pression ont aidéà calibrer différents modèles de diffusion de lachaleur, de pressurisation, d’évaporation et transportdes espèces.Finalement, le modèle de cinétique chimique de laréaction de la transestérification supercritique deslipides a été validé expérimentalement en se servantdu taux de conversion comme paramètre decomparaison. L'erreur relative maximale sur lesdifférents paramètres modélisés est inférieure à 6 %.Le modèle de réacteur batch validé aide à laconception d'un système continu. Un procédécombinant un réacteur agité (CSTR) et d’un réacteurpiston (PFR) a été proposé. Après un balayage desdifférentes plages de températures et de débits, unCSTR de 1 L et un PFR de 2, 44 m et de 1 cm dediamètre ont été choisis pour traiter un débit de 10L/h de mélange réactif. Après le dimensionnementdes différents organes, un système complet etintégré a été proposé.

In this thesis, a design of a continuous biomass hydrothermal liquefaction system is proposed. After a study of the different existing hydrothermal liquefaction processes and the different mechanisms involved, models simulating the different thermochemical phenomena involved have been proposed. These phenomena were studied at the scale of a 1L batch reactor and modeled using COMSOL Multiphysics software. To do this, an experimental campaign is carried out on the reactor, starting from the heating of the empty reactor and ending with a complete elementary chemical reaction; supercritical transesterification of rapeseed oil. The experimental curves of temperature at different places in the reactor and of pressure helped to calibrate different models of heat diffusion, pressurization, evaporation and transport of species. Finally, the chemical kinetics model of the supercritical lipid transesterification reaction was experimentally validated using the conversion rate as a comparison parameter. The maximum relative error on the different modeled parameters is less than 6%. The validated batch reactor model helps in the design of a continuous system. A process combining a stirred reactor (CSTR) and a piston reactor (PFR) has been proposed. After scanning the different temperature and flow rate ranges, a 1 L CSTR and a 2.44 m, 1 cm diameter PFR were chosen to handle a flow rate of 10 L/h of reactant mix. After the dimensioning of the various organs, a complete and integrated system was proposed.