État de l’art sur le test de catalyseur mis en forme en lit fixe

Le développement d’un procédé de conversion chimique, consiste à proposer un enchainement d’étapes unitaires (mélange, réaction, séparation, …) en maximisant les rendements en produits valorisables et en diminuent les couts associés. Le développement de procédé inclut celui des catalyseurs et des technologies associées notamment du réacteur. Ce document concernera uniquement les procédés mettant en jeu des solides (catalyse hétérogène ou purification/séparation) et opérant sur des charges de type hydrocarbures (gaz et/ou liquide). Ce choix est motivé par les domaines d’activité de l’IFPEN et de sa filiale Axens qui commercialise majoritairement des procédés de raffinage et de pétrochimie opérant avec des catalyseurs solides poreux et mis en forme. coût et les impératifs de rentabilité des installations de raffinage et de pétrochimie interdisent bien évidemment des essais de développement à échelle 1. L’enjeu est alors de réaliser à moindre coût des essais à échelle réduite en recueillant assez d’information pour pouvoir dimensionner et garantir les performances industrielles tant au niveau des rendements, sélectivités et qu’au niveau de la fiabilité. Les conséquences financières d’un échec étant désastreuses, la démarche d’extrapolation est une étape critique. La démarche s’appuie assez souvent sur une analyse de risque qu’il faut alimenter. La méthode de développement doit aussi donner suffisamment confiance aux décideurs (clients ou commerciaux) pour accepter de prendre le risque d’investir dans une innovation. A titre d’exemple, voici une expression qui revient régulièrement dans le monde de la chimie : « Everybody wants to be the second to buy a new technology ».

Les performances de la plupart des catalyseurs sont différentes selon les charges employées, notamment vis-à-vis du vieillissement et de l’empoisonnement. Dans certaines applications, ces variations de performance sont bien comprises et prédictibles, mais pour d’autres l’identification des descripteurs de réactivité est encore l’objet de recherches . Les charges présentes en raffinerie présentent une complexité chimique élevée et, mises à part les coupes légères (molécules avec moins de 5-6 atomes de carbone), il est très difficile d’obtenir une analyse chimique détaillée de la charge. Une première raison est le nombre d’isomères qui augmente exponentiellement avec la longueur de chaine [1] : 347 isomères pour un alcane avec 15 atomes de carbone, 366 319 isomères pour un alcane avec 20 atomes de carbone et 36 797 588 isomères pour 25 atomes de carbone. Une autre est la résolution des techniques analytiques qui ne permet pas toujours de discriminer les molécules présentant des signatures trop proches. Les charges pétrolières sont donc généralement décrites plus par les propriétés physico-chimiques [1] (densité, viscosité, indice de réfraction, courbe de distillation, degré API), des propriétés d’usages (point de trouble, l’indice de cétane / iso- octane) ou la réactivité à certaines réactions (indice de Brome).

Dans certaines étapes du développement de catalyseur, les tests sont conduits en utilisant des charges « modèles », c’est-à-dire des charges recomposées en laboratoire en mélangeant des corps purs commerciaux. Cela permet d’une part de limiter la consommation des charges ex- raffinerie, parfois très difficiles à obtenir et avec des compositions très variables, et d’autre part d’étudier les effets spécifiques des concentrations de certaines espèces (polluants, poisons, …) sur l’activité du catalyseur. Bien qu’extrêmement importants pour dégager des pistes de développement, les tests avec des molécules modèles peuvent présenter des limitations car le comportement du catalyseur (performance initiale ou vieillissement) peut être assez différent de son comportement avec la charge réelle, ce qui requiert une étape de validation supplémentaire. En effet, certaines molécules à l’état de traces (ppm ou ppb) dans la charge réelle peuvent modifier profondément l’activité [2] et leurs teneurs peuvent être difficile à maîtriser. Certains tests, notamment les validations de catalyseurs, sont conduits avec des charges ex- raffineries dites « de référence » qui sont utilisées sur plusieurs années jusqu’à l’épuisement. Chaque changement de charge conduit à réaliser de nouveaux essais de « référence » sur un ou des catalyseurs connus. Ces essais dits de « calage », bien qu’importants pour la suite du développement du catalyseur, n’apportent que peu d’informations pour le développement de nouveaux catalyseurs et sont donc à minimiser.