Rejoignez le forum des designers !
Votre expertise est essentielle pour la communauté. Rejoignez-nous et apportez vos connaissances !
Rejoindre le forum maintenantPartagez, apprenez et évoluez avec les meilleurs professionnels du secteur.
1. Applications des liquides ioniques dans les processus de raffinage
Depuis plus d’un siècle, le raffinage du pétrole est l’une des principales technologies à l’origine du développement économique mondial et des progrès technologiques. Bien qu’une grande partie de la technologie utilisée dans les raffineries soit considérée comme mature, l’industrie est toujours à la recherche de moyens d’améliorer les processus, de réduire l’impact sur l’environnement, d’améliorer la sécurité et de réaliser des réductions de coûts. En particulier, l’accent a été mis sur l’amélioration de la technologie existante pour l’hydrodésulfuration (HDS), l’hydrodénitrogénation (HDN), l’hydrodésoxygénation (HDO) et l’alkylation. En raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques et de leurs avantages environnementaux par rapport aux solvants ou catalyseurs traditionnellement utilisés, l’intérêt pour les liquides ioniques dans ces procédés de raffinage a augmenté de manière exponentielle au cours des dernières années. [1]. Il a été prouvé que les catalyseurs d’alkylation à base de LI facilitent une alkylation efficace tout en évitant les problèmes majeurs de corrosion (tels que la fissuration par corrosion sous contrainte), de sécurité et d’opérabilité associés à la technologie traditionnelle à base de HF. L’alkylation utilise généralement un catalyseur tel que l’acide sulfurique ou le HF pour créer de l’essence à indice d’octane élevé. Cependant, l’utilisation du HF a été associée à des explosions dans la raffinerie de Philadelphie. Le Bureau américain de la sécurité chimique (CSB) a demandé une mise à jour des règles de sécurité concernant l’utilisation de l’HF. La désulfuration extractive (EDS) des fiouls à l’aide de liquides ioniques (IL) a fait l’objet d’études intensives au cours des dernières décennies et est promise à un bel avenir en tant que méthode alternative ou complémentaire à l’HDS. Ce processus fonctionne dans des conditions difficiles, telles que des températures et des pressions élevées, et nécessite un catalyseur noble et de l’hydrogène. En utilisant cette technologie existante, les tuyaux en acier peuvent être sujets à des défaillances dues à l’attaque de l’hydrogène à haute température (HTHA). L’attaque à l’hydrogène à haute température (parfois appelée « réaction au méthane ») se produit à des températures élevées entre l’hydrogène moléculaire gazeux contenu dans le réservoir sous pression en acier et les atomes de carbone situés dans la matrice d’acier ou dans les carbures. Des molécules de méthane sont produites lors de cette réaction. Ce phénomène peut entraîner une perte des propriétés mécaniques due à la décarburation superficielle et à la formation de défauts causés par des bulles de méthane principalement situées aux joints de grains. L’accident de Tesoro Anacortes s’est produit lors du démarrage de l’unité d’hydrotraitement du naphta de la raffinerie après un arrêt pour maintenance.
Des méthodologies de simulation robustes ont été appliquées pour analyser des applications clés de l’IL : capture physique et chimique du CO2, séparation des gaz, extraction liquide-liquide, distillation extractive, cycles de réfrigération et bioraffinerie [2].
2. Simulations numériques de la production de biodiesel
Des simulations numériques de la dynamique des fluides de la production de biodiesel ont été réalisées en appliquant le modèle de dissipation des tourbillons (EDM) couplé au modèle de contrainte de Reynolds (RSM). Le rendement calculé du biodiesel a été bien comparé aux résultats expérimentaux [3]. Mekala a appliqué le code ANSYS Fluent afin de résoudre les équations de transport de l’écoulement des fluides, de la chaleur et du transfert de masse dans les réacteurs à lit compact. [4]. Ce travail contient une conception multiphysique d’un réacteur d’estérification pour la transformation de l’acide oléique et du méthanol en EMAG en utilisant un fluide à point d’ébullition élevé. C’est probablement la première fois que le phényl-naphtalène est proposé pour fournir la chaleur nécessaire à la réaction d’estérification de l’EMAG. [5]. Dans le cadre de ce travail de recherche, les liquides ioniques ont été appliqués à des réactions organiques en tant que solvants et catalyseurs de la réaction d’estérification. Les grandes qualités des fluides à haute température d’ébullition, ainsi que les progrès réalisés dans les industries du pétrole et du gaz, rendent le concept organique plus approprié et plus sûr (l’eau entrant en contact avec le métal liquide peut provoquer un risque d’explosion de vapeur) pour chauffer le réacteur d’estérification. Le code COMSOL Multiphysics a été utilisé et résout simultanément les équations de continuité, d’écoulement des fluides, de transfert de chaleur et de diffusion avec les équations de cinétique des réactions chimiques.
3. Section des résultats
La figure 1 montre le champ de température tridimensionnel à l’intérieur du réacteur d’estérification à t = 20 000 s.
Figure 1 : Tracé 3D du champ de température à l’intérieur du réacteur d’estérification à t=20 000 sec.
La figure 1 montre que la température dans la partie inférieure du réacteur est plus élevée que la température dans la partie supérieure. Cela s’explique par le fait que la réaction endothermique d’estérification consomme la chaleur fournie par le liquide phényl-naphtalène. Il convient de noter que la conductivité thermique du liquide ionique et des réactifs (acide oléique et méthanol) a une valeur inférieure. La figure 2 montre le champ de concentration 3D de l’EMAG à l’intérieur du réacteur.
Figure 2 : Tracé 3D du champ de concentration de l’EMAG à l’intérieur du réacteur d’estérification.
La figure 2 montre que la conversion de l’EMAG est d’environ 100 %. Une valeur similaire a été obtenue dans Ref. [6] pour T = 130 °C et 5,6 h. La figure 3 montre la concentration axiale de FAME le long de la hauteur du réacteur.
Figure 3. Tracé axial de la concentration en EMAG le long de la hauteur du réacteur d’estérification pour le phényl-naphtalène liquide à une température de 160 °C.
La figure 3 montre que la concentration en FAME augmente avec le temps. Il y a une légère diminution de l’EMAG entre y = 0,1 m et y = 0,4 m. Ceci est dû au fait que les conductivités thermiques du liquide ionique et des réactifs (acide oléique et méthanol) ont des valeurs plus faibles.
4. Conclusions
Cet article présente une simulation CFD avancée de la production de biodiesel par l’application d’un liquide ionique imidazolium. Le logiciel COMSOL résout simultanément la conservation de la masse (continuité), l’écoulement des fluides (Navier-Stokes), le transfert de chaleur et la diffusion avec les équations de transport de la réaction d’estérification. Il a été démontré que le flux de chaleur peut fournir le flux de chaleur nécessaire pour maintenir le processus d’estérification. Il a été constaté que les concentrations de méthanol et d’acide oléique diminuent le long de l’axe du réacteur. La fraction massique des EMAG augmente le long de l’axe du réacteur d’estérification. Ceci est dû au fait que les réactions endothermiques consomment de la chaleur. Les surfaces internes et externes du réacteur sont exposées à la chaleur fournie par le fluide à haut point d’ébullition phényl-naphtalène. Afin d’éviter l’ébullition et l’évaporation de l’eau générée dans la réaction d’estérification, la pression à l’intérieur du réacteur d’estérification est fixée à 700 kPa. Il convient de noter que la pression saturée de l’eau à T = 160 °C est de 620 kPa. Les gouttelettes d’eau générées lors de la réaction d’estérification étant plus lourdes que le gaz, elles tombent et sont extraites par le fond. Elles peuvent réagir avec le liquide ionique, principalement à l’entrée du réacteur. En outre, si le système de chauffage tombe en panne (en raison d’une défaillance de l’alimentation électrique ou d’un problème technique au niveau de la pompe à liquide phényl-naphtalène), la vapeur peut se condenser à l’intérieur du réacteur d’estérification, ce qui entraîne la formation de bulles d’eau et diminue encore le transfert de chaleur vers le réacteur d’estérification. Il peut donc être difficile de reprendre le fonctionnement normal du réacteur d’estérification. En appliquant une pression élevée, il est plus facile de reprendre le fonctionnement de ce réacteur. Dans certains cas, il y a des réactions secondaires entre l’eau et les liquides ioniques. Pour résoudre ce problème, l’eau est éliminée. Un brûleur à coke de pétrole peut fournir le flux de chaleur nécessaire au réacteur d’estérification. Il est possible d’appliquer ce réacteur à proximité de l’unité de cokéfaction retardée (DCU) afin de produire des carburants diesel et biodiesel.
Vous trouverez de plus amples informations sur cette recherche dans la section Référence [5].
5. Références
[1] Haifa Ben Salah, Paul Nancarrow, Amani Al-Othman, Ionic liquid-assisted refinery processes – A review and industrial perspective, Fuel, Volume 302, 2021, https://lnkd.in/dYf4X79V.
[2] Jose Palomar, Jesús Lemus, Pablo Navarro, Cristian Moya, Rubén Santiago, Daniel Hospital-Benito et Elisa Hernández Chemical Reviews, 2024 124 (4), 1649-1737, https://lnkd.in/d2U4ExbR
[3] Mohiuddin, A.K.M. ; Adeyemi, N. Numerical Simulation of Biodiesel Production Using Waste Cooking Oil. In Proceedings of the ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition IMECE2013, San Diego, CA, USA, 15-21 novembre 2013, https://asmedigitalcollection.asme.org/IMECE/proceedings-abstract/IMECE2013/V08AT09A003/261194
[4] Mekala, S.J. CFD Studies of Reactive Flow with Thermal and Mass Diffusional effects in a Supercritical Packed Bed Catalytic Reactor. Thèse de doctorat, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelone, Espagne, 2016, https://upcommons.upc.edu/handle/2117/113679.
[5] Davidy, A. Conception thermohydraulique et thermochimique du réacteur d’estérification de l’ester méthylique d’acide gras (biodiesel) par chauffage avec du liquide phényl-naphtalène à point d’ébullition élevé. Fluides 2022, 7, 93, https://www.mdpi.com/2311-5521/7/3/93#B13-fluids-07-00093.
Rejoignez le forum des designers !
Votre expertise est essentielle pour la communauté. Rejoignez-nous et apportez vos connaissances !
Rejoindre le forum maintenantPartagez, apprenez et évoluez avec les meilleurs professionnels du secteur.