Etude expérimentale et modélisation de la polymérisation de l'éthylène en phase gaz: Impact de la thermodynamique – THERMOPOLY

Le polyéthylène est le polymère le plus produit au monde, et la demande pour ce produit ne cesse pas d'augmenter. L’ampleur du volume de production, et de la demande croissante signifient que les producteurs de polyéthylène ont besoin d'augmenter la capacité des unités existants, soit en améliorant les procédés existants, soit en construisant de nouveaux procédés plus efficaces. Pour les procédés en phase gazeuse, qui représentent près de 50% de tous les processus de production au monde, les réacteurs à lit fluidisé sont l'équipement de choix à l'échelle industrielle, où le polymère est produit sous la forme de particules en suspension dans un courant de gaz. L'un des contraintes opérationnelles liés à l’augmentation du volume de production dans les réacteurs en phase gazeuse est la capacité à éliminer la quantité importante de chaleur produite lors de la réaction. D'une part, il faut éviter une surchauffe dangereuse du réacteur, et d'autre part il est nécessaire d'avoir un contrôle précis de la température afin de maintenir la qualité du polymère en termes de poids moléculaire et la taille des particules, et de minimiser l'agrégation et frittage des particules. Une méthode très employée pour contrôler la surchauffe est la soi-disant «mode condensé», où des composants liquides sont injectés en même temps que le monomère gazeux. La température et la composition de la charge sont choisies de sorte que la charge est en dessous de son point de rosée, ce qui est à son tour, en dessous de la température du réacteur. En entrant dans le réacteur, les composants liquéfiés vaporisent et la chaleur latente d'évaporation permet de refroidir le système. Cependant, il a récemment été démontré que les espèces inertes les plus généralement utilisées à cet effet peuvent fortement influencer la solubilité monomère dans les particules de polymère en croissance, et étant donné qu'ils agissent également en tant que plastifiants ils peuvent aussi influer sur les propriétés physiques des particules. Malgré l'utilisation répandue du « mode condensé », peu d’information est disponible sur l'impact des matières « inertes » sur la vitesse de réaction, la distribution de poids moléculaire, la morphologie des particules et l'agglomération des particules.
Le but de ce projet est donc de développer une compréhension fondamentale des différents phénomènes observés au cours du refroidissement de mode condensé dans la polymérisation de l'éthylène, et d’integrer ces nouvelles connaissances dans un modèle sophistiqué capable de prédire les performances du réacteur. En conséquence, le projet est organisé en trois tâches qui correspondent aux différentes échelles de longueur du système, allant de la particule au réacteur. D’abord, la sorption des différentes espèces (monomères, comonomères, solvants, inertes) dans les particules de polyéthylène sera étudié expérimentalement avec différentes différentes méthodes. Ensuite, les nouvelles connaissances thermodynamiques seront incorporées dans un modèle mono-particule afin de comprendre leur impact sur les phénomènes de réaction et de diffusion, ainsi que sur le comportement thermique. Ce modèle sera validé par comparaison avec les données expérimentales obtenues avec un réacteur sphérique à lit agités qui est spécialement conçu pour la polymérisation en phase gazeuse. Enfin, en tirant parti des méthodes efficaces de calcul, un modèle complet d’un réacteur à lit agité sera mis au point, et qui comprendra tous les phénomènes affectant la distribution des tailles des particules, comme l'agrégation en raison de ramollissement du polymère lié à la plastification induite par d'autres espèces. Le modèle sera validé par les données expérimentales recueillies dans le même type de réacteur à lit agité mentionné ci-dessus. Un tel modèle détaillé est appelé à devenir un outil clé pour la conception des intrinsèquement plus sûrs modes, de réaction plus efficaces, tout en assurant un contrôle précis de la qualité du polymère.