Bilan de quantité de mouvement

Bilan de quantité de mouvement

L’état de l’art a permis de faire le point sur les connaissances des voies réactionnelles mises en jeu au sein du réacteur. La problématique de la complexité du réseau réactionnel étant désormais mise en évidence, il convient de développer une stratégie de recherche adaptée. Les outils expérimentaux et de modélisation permettant le bon déroulement de cette stratégie seront ensuite présentés. Les outils expérimentaux sont composés d’une unité EHD (Expérimentation haut débit) ayant permis la constitution d’une base de données via des expériences préliminaires et de l’unité de laboratoire mono- réacteur, utilisée pour l’étude de réactions spécifiques. Les outils de modélisation correspondent aux modèles de réacteur développés permettant de simuler le comportement de chaque outil expérimental. Sur la base d’une revue de la littérature, un premier schéma réactionnel SR1 a été élaboré tenant compte des voies réactionnelles considérées comme les plus probables. Il servira de base au développement des lois cinétiques de chaque voie réactionnelle. La complexité de ce schéma réactionnel, et notamment le grand nombre de réactions impliquées et donc de paramètres cinétiques, nécessitera de développer une stratégie couplant expérimentation et modélisation. Cela permettra à la fois la validation du schéma réactionnel et l’estimation des paramètres cinétiques associés. La Figure 3-1 résume la stratégie présentée ci-après. Un modèle de réacteur a été développé, intégrant un schéma réactionnel et des lois cinétiques associées, afin d’exploiter les données expérimentales issues de l’unité EHD. Il permettra de tester différents schémas réactionnels et lois cinétiques. Ce modèle sera alimenté par les propriétés thermodynamiques adéquates, en particulier lors de la mise en œuvre de réactions réversibles. L’estimation des paramètres cinétiques relatifs aux lois générées, notamment les facteurs pré-exponentiels et les énergies d’activation, se fera à l’aide d’un optimiseur basé sur la méthode de Levenberg-Marquardt. Cette estimation sera réalisée en s’appuyant sur la base de données expérimentale générée par l’EHD. La performance du modèle sera évaluée selon sa capacité à reproduire les points de la banque de données sous différentes conditions opératoires. La comparaison entre les données expérimentales et simulées permettra de remettre en cause, dans certains cas, la  Le premier modèle, intégrant le schéma réactionnel et basé sur la littérature (cf. SR1 – Partie 2), sera progressivement affiné en faisant évoluer soit les lois cinétiques soit les réactions chimiques prises en compte via une compréhension améliorée des chemins réactionnels. C’est dans ce but qu’interviennent les essais sur la deuxième unité (mono-réacteur), utilisée pour éprouver certaines parties du schéma réactionnel via des expériences dédiées. Une réflexion sera menée en amont afin de maximiser les chances de mettre en évidence le chemin réactionnel supposé : elle reposera principalement sur le choix de conditions opératoires (température et pression) adaptées et potentiellement différentes de celles des tests EHD ainsi que l’utilisation de charges ad hoc. L’objectif de ces études sera avant tout de limiter le nombre de réactions ayant lieu au sein du lit catalytique pour faciliter la mise en évidence du chemin réactionnel supposé.

Afin de mettre en place cette stratégie, il sera avant tout indispensable de développer les outils ad hoc. Ainsi, une unité sera mise en place et une méthode d’analyse en ligne développée. Le catalyseur devra être synthétisé afin de réaliser les tests catalytiques désirés. Un modèle de réacteur adapté à l’unité sera également développé pour pouvoir y implémenter les lois cinétiques. Ces outils seront alors exploités pour le développement du modèle cinétique Cette étude repose sur deux types d’expériences, menés via deux outils expérimentaux. Un outil EHD a permis de générer une base de données à partir de la mise en œuvre de différentes conditions opératoires. Menées en amont de ce travail de thèse, ces campagnes de tests ont fait l’objet d’une exploitation approfondie dans le cadre de cette étude. Une unité de laboratoire mono-réacteur a également été mise en œuvre pour la réalisation d’expériences dédiées.  Le fonctionnement de l’unité EHD et de l’unité mono-réacteur sont similaires. Leur principe général consiste à utiliser une charge vaporisée et diluée dans un gaz inerte à travers un réacteur contenant le catalyseur. La composition de l’effluent gazeux est analysée au cours du temps par chromatographie en phase gazeuse connectée en ligne.  Différentes méthodes d’analyse ont été développées afin d’identifier au mieux les composés d’intérêt du schéma réactionnel. Les détecteurs sont des FID (Flame Ionization Detector) pour les deux méthodes afin d’améliorer au maximum la qualité de détection. Du fait de leur très grand nombre et de la grande complexité pour les intégrer dans ce premier modèle cinétique, les composés lourds n’ont pas été caractérisés mais ont été comptabilisés au travers d’un unique agrégat.