Conception et étude d’un réacteur Pillow-plate intensifié pour la synthèse de méthanol basé sur la modélisation CFD

Post-doctorant ou Ingénieur de recherche Poste :

Le méthanol est considéré comme l’un des nouveaux carburants décarbonés potentiels pour le transport maritime. Il suscite l’intérêt en raison de ses propriétés chimiques, de sa capacité à être produit à partir de sources renouvelables et de son potentiel à réduire les émissions de gaz à effet de serre par rapport aux combustibles fossiles traditionnels. Cependant, la synthèse de méthanol à partir de ressources renouvelables se heurte à des défis spécifiques que l’actuel projet européen M2ARE vise à surmonter ( https://www.m2are.eu/ ).

Actuellement, la synthèse du méthanol à l’échelle industrielle est réalisée dans des réacteurs catalytiques multitubulaires fonctionnant à haute pression (50 à 80 bars) et à des températures allant de 200 à 300 °C. La synthèse du méthanol à partir d’oxydes de carbone se produit généralement sur des catalyseurs à base d’oxyde de cuivre et de zinc (CuO-ZnO-Al2O3) par le biais de réactions exothermiques à l’équilibre.

Il est possible d’intensifier la réaction en extrayant les produits de réaction (méthanol et eau) du mélange réactionnel, déplaçant ainsi l’équilibre vers une production plus élevée de méthanol. Cette stratégie a été étudiée en utilisant d’autres modèles de réacteurs à condensation in situ ou à membrane, mais ces technologies ne sont pas encore prêtes pour la commercialisation (TRL= 9). Une technologie de séparation commercialement éprouvée consiste à mettre en œuvre des étapes de condensation intermédiaires entre des réacteurs placés en série. Des valeurs de conversion du CO ₂ en un seul passage allant jusqu’à 54 % ont été atteintes, ce qui est nettement supérieur à la conversion du procédé conventionnel (28,5 %) et à la conversion à l’équilibre (30,4 %). L’avantage réside dans la réduction de moitié du flux de recyclage total, réduisant à la fois les pertes de réactifs dans le flux de purge et la consommation d’énergie pour la compression des flux de recyclage, réduisant ainsi considérablement les coûts d’exploitation et les investissements en capital. Cependant, le recyclage des gaz non consommés reste élevé, posant plusieurs défis par rapport à un procédé sans recyclage : augmentation des coûts Capex et Opex et accumulation de CO ₂ dans l’ensemble du circuit. Un nouvel enjeu concerne la valorisation du CO ₂ issu du captage par l’hydrogène produit par électrolyse à partir d’électricité renouvelable, qui peut être très intermittente (conditions climatiques et/ou fluctuations des prix de l’électricité du réseau). Dans ce cas, il est essentiel de disposer de procédés de production de méthanol capables de répondre rapidement, en une dizaine de minutes, à la capacité de production d’hydrogène. Cependant, la dynamique des procédés complexes (réaction et séparation) est considérablement ralentie par la présence de boucles de recyclage, les rendant incompatibles avec les temps nécessaires pour répondre aux variations de charge (en termes de débits totaux et de variations du CO ₂ /H ₂ ) sans induire une dégradation significative du catalyseur et, plus largement, une dégradation des performances du procédé.

L’objectif est d’explorer les solutions optimales dans le domaine paramétrique des conditions opératoires en température et pression, combinant réacteurs et séparateurs multi-étages avec l’intégration thermique des flux de fluides. Cette solution optimale devrait conduire à terme à la conception d’un équipement multifonctionnel multi-étages et multi-passes, tel qu’un réacteur et échangeur de chaleur (Heat Exchanger Reactor HEX) couplé à un séparateur de condensation pour l’élimination de l’eau et du méthanol. La conception et l’étude de ce réacteur-échangeur-séparateur seront réalisées.

Une conception préliminaire du réacteur, basée sur un modèle simplifié (1D) prenant en compte les corrélations de transfert de chaleur et de masse, sera étudiée pour déterminer comment une géométrie de « plaque d’oreiller » peut répondre aux spécifications du procédé. Une géométrie de réacteur 3D intégrant les flux de réactifs et de produits, ainsi que les fluides d’échange thermique, sera ensuite proposée. Un modèle mathématique 3D détaillé du réacteur, ou d’une partie du réacteur, sera développé à l’aide de la dynamique des fluides computationnelle (CFD – Fluent) pour déterminer les performances réelles de l’équipement. L’étude hydrodynamique sans réaction permettra dans un premier temps de comprendre la nature des écoulements internes dans la géométrie de la « plaque-oreiller » et d’en déduire les caractéristiques locales de transfert de chaleur et de masse, non disponibles par mesure. Par la suite, le cas réactif avec lit catalytique sera étudié pour prédire les performances globales du réacteur lui-même.

Un prototype du réacteur-échangeur, ou une partie de celui-ci, sera construit pour réaliser des essais préliminaires à froid (sans réaction) afin d’acquérir des données supplémentaires qui serviront à valider le modèle et fourniront des corrélations utiles au dimensionnement. Ces données peuvent inclure des mesures de chute de pression, ainsi que des informations plus complètes cruciales pour la conception d’équipements fonctionnels, telles que l’évaluation du remplissage et de la vidange du catalyseur dans les modules du réacteur et l’évaluation des parties fluidiques des tubes d’alimentation et de décharge pour assurer une répartition uniforme des courants. entre les modules.

Les résultats du modèle seront comparés aux résultats expérimentaux. Les objectifs sont multiples : démontrer que la nouvelle géométrie du réacteur apporte des gains de performances par rapport à un réacteur classique, valider le modèle du réacteur en régime permanent, démontrer la robustesse du dispositif en étudiant différents régimes de fonctionnement en régime permanent, voire dynamique, pour tenir compte des évolutions des scénarios d’exploitation liées aux variations de la production d’H ₂ . Sur la base des résultats et des conclusions d’une première campagne de mesures, des améliorations du réacteur peuvent être mises en œuvre. Le modèle 3D sera un outil utile pour concevoir ces améliorations. Une nouvelle génération de réacteur sera construite et testée lors d’une deuxième campagne de mesures. A terme, un modèle simplifié du réacteur, basé sur les conclusions des modèles 1D et 3D, sera créé pour s’intégrer dans un outil de simulation de procédé (Aspen, Prosim) pour simuler un procédé complet de synthèse de méthanol en utilisant les nouvelles technologies « pillow plate ». .