Réactions d’hydrogénation en réacteur monolithe : une nouvelle technologie axée sur la sécurité, l’intensification et la sélectivité. – HYDROMORE

Le projet Hydromore propose un réacteur intensifié original pour les installations industrielles d’hydrogénation : un réacteur-échangeur de type monolithe à canaux parallèles millimétriques ; certains canaux accueilleront les fluides réactifs et d’autres un fluide dédié au refroidissement de l’appareil. Idéalement la structure du monolithe sera faite d’un matériau à forte conductivité thermique (métal, carbure de silicium).
Ce nouveau type de réacteur polyphasique offrira de multiples avantages : réduction des résistances aux transferts (particulièrement en écoulement poches-bouchons), ce qui est crucial pour les réactions exothermiques rapides ; adaptation aux pression et température élevées ; faible dispersion axiale conduisant à une meilleure conversion chimique ; écoulement laminaire, rendant aisée l’acquisition de données ; peu de perte de charge ; bonne sécurité du procédé (la coupure de l’alimentation en réactifs conduisant à un drainage immédiat du liquide).
Des gains importants sont attendus via l’utilisation de ce réacteur-échangeur, via le contrôle des étapes de transfert, d’évacuation de la chaleur, et du niveau de température.

Ce réacteur sera appliqué ici à l’hydrogénation d’un fluide bio-sourcé, l’alpha-pinène, et à celle d’une d’huile végétale, l’huile de tournesol, riche en acides gras insaturés linolénique et linoléique.
Pour l’hydrogénation totale du terpène, le taux de conversion doit être augmenté, induisant des économies pour les étapes ultérieures de purification des produits ;
Pour le traitement de l’huile végétale, la sélectivité de la réaction d’hydrogénation doit être améliorée, afin de diminuer la quantité d’acides gras nocifs, qu’ils soient saturés ou ‘trans’.

Des connaissances relatives à ce projet existent dans la littérature, sur lesquelles ce projet va s’appuyer : études dédiées aux monolithes, à l’optimisation des catalyseurs pour les hydrogénations, modèles pour le transfert de masse en écoulement confiné. De rares travaux ont abordé l’évacuation de la chaleur dans les monolithes. Le principal verrou pressenti pour la réussite du projet est le couplage fort entre les phénomènes en présence (transferts de quantité de mouvement, de masse et de chaleur, diffusion, réaction) qui rend difficile le contrôle, la modélisation et le dimensionnement du réacteur. La faisabilité d’un dépôt de catalyseur sur des parois en matériaux non conventionnels (SiC…) est également en question.
Pour faire face à ces difficultés, six partenaires vont collaborer, apportant des compétences complémentaires :
- Le groupe Total-Fluides a développé une expertise dans le domaine de l’hydrogénation catalytique des fluides d’origine fossile à travers ses unités d’hydro-traitement, et envisage l’industrialisation d’un procédé d’avant-garde.
- Le dépôt de ‘washcoat’ à base de métaux catalytiques a été appliqué à des structures métalliques de type monolithe au Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse).
- L’analyse et la modélisation de cinétiques d’hydrogénation sélective ont été réalisées au Laboratoire de Génie Chimique (Toulouse), ainsi que la mise en œuvre expérimentale et la modélisation de réacteurs catalytiques à lits fixes.
- Une technique d’analyse spécifique dédiée à la mesure en ligne et au sein du réacteur de la composition d’huiles végétales a été développée au Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle (Toulouse).
- La quantification expérimentale du flux de transfert de masse gaz-liquide en écoulement confiné en tube a été testée avec succès au LGC au moyen d’une technique laser.
- L’analyse numérique d’écoulements de Taylor en tubes et capillaires a été réalisée au Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (Toulouse).
- La modélisation de réactions exothermiques gaz-solide au sein de réacteurs de type monolithe a été menée à bien à Laval University (Canada).
- L’éco-conception de produits et de procédés a été souvent réalisée au LCA (Toulouse).