Titre en français?

Biο Jet Fuels Ρrοductiοn frοm Lignοcellulοsic Biοmass: Butyl Levulinate a Ρrοmising Μοlecule Τοwards the Develοpment οf Sustainable Aviatiοn Fuels.

• Auteur / Autrice : Wenel naudy Vasquez salcedo
• Direction : Sebastien Leveneur, Bruno Renou
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Genie des procedes
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021; Soutenance le 05/07/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique, Sciences de l'Ingénieur, Matériaux, Énergie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LABORATOIRE DE SECURITE DES PROCEDES CHIMIQUES
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : INSA Rouen Normandie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frederique Battin-leclerc, Gilles Cabot, Sebastien Leveneur, Guillaume Dayma, Bruno Renou, Guillaume Fayet, Yves Schuurman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frederique Battin-leclerc, Yves Schuurman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Conversion

Mots clés libres

Lévulinate de butyle

Gamma-valérolactone

Modélisation cinétique

Stabilité thermique

Efficacité de combustion

Biomass valorization

Butyl Levulinate

Gamma-valerolactone

Kinetic modeling

Thermal risk assessment

Thermal stability

Sustainable aviation fuel

Combustion efficiency

Résumé

Dans le contexte du secteur de l’aviation, qui pose des défis importants en raison de la complexité et des normes strictes en matière de carburant, notre proposition de recherche revêt une pertinence particulière. Nous visons à développer une approche intégrée qui valorise pleinement la biomasse lignocellulosique en carburéacteurs, contribuant ainsi au développement durable de la société. La biomasse lignocellulosique est une ressource renouvelable qui peut être utilisée comme matière première pour produire des matériaux et des produits chimiques de grande valeur, tels que le kérosène. Ce type de valorisation de la biomasse comprend de nombreuses étapes de transformation, pour lesquelles la cinétique et le risque thermique de la réaction chimique ne sont pas forcément connus. Ce travail se concentre sur un composé spécifique : le lévulinate de butyle (BL). Ce composé peut être obtenu à partir de la biomasse lignocellulosique et peut être transformé en gamma-valérolactone (GVL) par hydrogénation. Le GVL est une molécule de plateforme vitale qui peut servir de matière première pour produire des substituts aux combustibles fossiles comme l’essence, le diesel et les carburéacteurs. Les principaux objectifs de cette recherche sont les suivants : 1) Développer un modèle cinétique robuste et fiable pour l’hydrogénation BL afin de produire du GVL. Ici, nous cherchons à développer expérimentalement un modèle cinétique dans différents modes de fonctionnement thermiques, c’est-à-dire isotherme, isopéribolique et adiabatique. Ce type de modèle permet non seulement de prédire la cinétique et le débit de chaleur correspondant, mais aussi d’évaluer le risque thermique lié à la réaction chimique. Les expériences de développement de ce modèle cinétique ont été réalisées dans le réacteur calorimétrique Mettler-Toledo RC1. 2) La valorisation complète de la biomasse lignocellulosique vise l’échelle industrielle. Par conséquent, la production continue de GVL à partir de BL doit être évaluée. En ce sens, nous avons étudié la stabilité thermique de la production continue de GVL à partir de BL dans un réacteur CSTR (réacteur à cuve agitée continue). 3) L’un des aspects intrigants de notre recherche est l’utilisation potentielle du lévulinate de butyle (BL) comme additif pour carburants. Nous avons mené une évaluation approfondie de l’adéquation du BL en tant qu’additif de kérosène, dans le but de comprendre comment son ajout affecte le rendement de combustion et les limites de fonctionnement dans une chambre de combustion de turbine à gaz. Les résultats obtenus concernant le modèle cinétique ont montré que les modèles non compétitifs de Langmuir-Hinshelwood prédisent les données expérimentales de concentration et de température pour l’hydrogénation des BL avec une bonne précision. L’analyse du risque thermique, liée à l’hydrogénation BL, a montré que l’énergie libérée lors de la réaction est relativement faible, dH_{hyd}= -35.28 kJ/mol +/- 1.00 kJ/mol, et par la suite l’étude de stabilité thermique a montré que pour des valeurs de Ua > 1500\,W/m^3/K dans un réacteur continu, le risque d’instabilités thermiques est faible. L’évaluation du BL en tant qu’additif de kérosène a montré que l’ajout de 20 % de BL dans le kérosène ne modifie pas de manière significative les propriétés physiques, ni l’efficacité de la combustion, ni les limites de fonctionnement dans les conditions de fonctionnement prises en compte lors de l’évaluation de la combustion.

In the context of the aviation sector, which poses significant challenges due to the complexity and stringent standards of fuel, our research proposal gains particular relevance. We aim to develop an integrated approach that fully valorizes lignocellulosic biomass into jet fuels, thereby contributing to the sustainable development of society. Lignocellulosic biomass is a renewable resource that can be used as feedstock to produce high-value materials and chemicals, such as jet fuel. This type of biomass valorization includes many transformation steps, for which the kinetics and the thermal risk of the chemical reaction are not necessarily known. This work focuses on a specific compound: butyl levulinate (BL). This compound can be obtained from lignocellulosic biomass and can be transformed into gamma-valerolactone (GVL) via hydrogenation. The GVL is a vital platform molecule that can serve as a feedstock to produce substitutes for fossil fuels like gasoline, diesel, and jet fuels. The main objectives of this research are: 1) To develop a robust and reliable kinetic model for BL hydrogenation to produce GVL. Here, we seek to develop a kinetic model experimentally in different thermal modes of operation, i.e., isothermal, isoperibolic, and adiabatic. This model type not only predicts kinetics and the corresponding heat-flow rate but also allows the assessment of the thermal risk related to the chemical reaction. The experiments for developing this kinetic model were performed in the calorimeter reactor Mettler-Toledo RC1. 2) The complete valorization of lignocellulosic biomass targets the industrial scale. Therefore, the continuous production of GVL from BL should be assessed. In that sense, we studied the thermal stability of the continuous production of GVL from BL in a CSTR reactor (continuous stirred tank reactor). 3) One of the intriguing aspects of our research is the potential use of butyl levulinate (BL) as a fuels additive. We have conducted a thorough assessment of the suitability of BL as a kerosene additive, aiming to understand how its addition affects the combustion efficiency and operating limits in a gas turbine combustion chamber. The results obtained concerning the kinetic model showed that the Non-Competitive Langmuir-Hinshelwood models predict the experimental data of concentration and temperature for BL hydrogenation with good accuracy. The thermal risk analysis, linked to BL hydrogenation, showed that the energy released during the reaction is relatively low, dH_{hyd}= -35.28 kJ/mol +/- 1.00 kJ/mol, and subsequently the thermal stability study showed that for values of Ua > 1500 W/m^3/K$ in a continuous reactor, the risk of thermal instabilities is low. The evaluation of BL as a kerosene additive showed that adding up to 20% of BL into Kerosene does not significantly change the physical properties, neither the combustion efficiency nor the operating limits in the operating conditions considered during the combustion assessment.