Cinétique réactionnelle de la conversion hydrothermale

Reaction kinetics of the hydrothermal conversion

• Auteur / Autrice : Oumayma Bezza
• Direction : Geert Haarlemmer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/LITEN - Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les Nanomatériaux

Mots clés

Mots clés libres

Cinétique réactionnelle

Conversion hydrothermale

La liquéfaction hydrothermale

Biomasse

Reaction kinetics

Hydrothermal conversion

Hydrothermal liquefaction

Biomass

Résumé

Dans le contexte de la transition énergétique, la valorisation des bioressources pour la production d'énergie ou de molécules pour la chimie verte devient une priorité. Des résidus aux propriétés physico-chimiques variés sont ciblés : des résidus de l'agriculture, de l'industrie agro-alimentaire, de l'industrie papetière tels que la liqueur noire, ou encore des boues de station d'épuration. Ces bioressources sont souvent très humides voire liquides. De ce fait, le CEA Liten a décidé de s'engager en particulier dans le développement des procédés hydrothermaux, qui exploitent les propriétés particulières de l'eau sous pression, à une température inférieure ou supérieure au point critique (374 °C, 221 bar). La liquéfaction hydrothermale (HTL) produit de la biohuile, du char et du gaz. La transformation se passe sous pression dans la phase aqueuse liquide. Le produit d'intérêt est la biohuile, constituée d'une riche panoplie de molécules organiques, le char est un solide carboné. Le gaz est constitué principalement de CO2 et la phase aqueuse sortante contient encore des molécules organiques issues de la transformation de la matière initiale. Les études concernant la liquéfaction hydrothermale se limitent souvent à des rendements de conversion de la matière entrante en produits. Il y a aussi un volume important d'études avec beaucoup d'informations sur la nature des composées dans la biohuile et la phase aqueuse mais le plus souvent sans quantification. Ces résultats sont souvent utilisés pour proposer des schémas réactionnels globaux. Il y a des schéma réactionnelles détaillés dans la littérature mais ils ne sont pas exploité dans les schémas cinétique par manque de données. Dans des thèses précédentes dans notre laboratoire a commencé à élaborer un schéma cinétique avec des pseudo composés Le laboratoire a mis au point un modèle cinétique qui s'appuie sur un schéma cinétique détaillé avec des familles de composés chimiques. Il est possible dans le modèle d'utiliser à la fois des données de produits finaux ainsi que les analyses de produits intermédiaires pour rendre le modèle plus fiable. Des essais ont déjà été effectués au laboratoire avec des molécules modèles en autoclave mais avec un temps de chauffe assez long ce qui altère la représentativité des résultats. Un nouveau réacteur permet des expériences plus rapide sous des conditions mieux maitrisées. La thèse sera axée sur plusieurs sujets : 1. Essais en autoclave sur les des molécules modèles et des ressources réelles. 2. L'analyse et quantification des produits en chromatographie liquide et gazeux. 3. Eteindre la base de données et améliorer le modèle cinétique 4. Simulation du procédé Les expériences en autoclave avec un chauffage par induction permettent un chauffage rapide et un control précis de conditions permettant de collecter des données cinétiques. La biomasse est en générale très complexe. Un précédent thèse dans le laboratoire à montré que les molécules modèles peuvent être représentatif et donnent des informations précieuses sur la transformation. Les molécules étudiées seront par exemple les sucres, les phénoliques, les acides carboxyliques, les acides aminés, etc. La thèse va étudier la dépolymérisation des macro molécules en monomères et les réactions successives. Les essais devront être fait pour différentes températures et différents temps de réaction. Après une analyse et la quantification en chromatographie en phase liquide (HPLC). Les données produites seront insérées dans la base de données et aideront le modèle à converger sur un chemin cinétique le plus réaliste possible. L'objectif du stage est de commencer la collecte de données expérimentales et exploiter le modèle cinétique existant. Ce modèle cinétique peut-être exploité dans un modèle de simulation du procédé comme implémenté dans le logiciel ProSimPlus.

In the context of the energy transition, the valorisation of bio-resources for the production of energy or molecules for green chemistry becomes a priority. CEA Liten has decided to develop hydrothermal processes, in particular hydrothermal liquefaction (HTL) producing bio-oil, char and gas. The laboratory holds a large amount of experiment data. Based on this data, the laboratory has developed a database and kinetic model that is based on a detailed kinetic diagram with families of chemical compounds. A new reactor allows faster experiments under better controlled conditions. The studies will be conducted on model molecules but also on real resources. This PhD thesis will study the depolymerisation of macromolecules into monomers and successive reactions. The experiments will have to be done for different temperatures and reaction times. After analysis and quantification by liquid chromatography (HPLC). The data produced will be inserted into the database and will help the model to converge on a kinetic path as realistic as possible. The objective of the internship is to start collecting experimental data and exploit the existing kinetic model.