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Une nouvelle méthodologie d’IFPEN pour mieux comprendre les phénomènes au cœur des catalyseurs

Octobre 2016

Dans les années à venir, la fourniture par le raffinage de carburants légers et propres destinés au transport routier pourrait se heurter à des difficultés techniques nouvelles liées à des bruts pétroliers plus "difficiles" à traiter, lesquels devraient représenter une part croissante de la production mondiale.

De manière à anticiper l’impact de cette évolution sur les procédés de transformation catalytiques et pouvoir proposer des solutions adaptées, IFPEN étudie dès à présent les phénomènes mis en jeu, à l’échelle microstructurale, des grains de catalyseur. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication dans une revue internationale[1] et de trois présentations à des congrès internationaux.

La transformation de pétroles lourds - riches en hydrocarbures de hauts poids moléculaires appelés asphaltènes - en carburants légers et désulfurés, pour satisfaire un marché du transport routier en forte croissance mondiale, est l’un des principaux défis des prochaines années pour les raffineurs. En effet, les pétroles arrivant sur le marché sont de plus en plus lourds (bruts extra-lourds vénézuéliens et schistes bitumineux canadiens). Cette transformation passe par la mise en œuvre de procédés de raffinage mettant en jeu des catalyseurs permettant d’éliminer les polluants (soufre et métaux lourds) principalement présents dans les asphaltènes.

Les catalyseurs sont des matériaux poreux, comportant des pores de l’ordre de 10-100 nm de diamètre, qui présentent une importante surface spécifique tout en conservant une résistance mécanique suffisante pour opérer dans les conditions sévères des procédés de raffinage. L’accès des composés de hauts poids moléculaires aux phases actives, au travers de ce réseau microporeux, est une limitation actuellement forte pour l’efficacité des procédés concernés, appelant à un effort de compréhension et de caractérisation des mécanismes en jeu à cette échelle.

Dans le cadre d’un travail de thèse[2], IFPEN a collaboré avec le laboratoire PHENIX (PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX – UMR8234) afin de mettre au point une approche expérimentale permettant de mesurer et de mieux comprendre les phénomènes de transport des asphaltènes dans les catalyseurs, dans les conditions extrêmes des procédés de raffinage. Ceci a nécessité la combinaison de plusieurs techniques de caractérisation telles que la microscopie optique et la RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) afin de quantifier les coefficients de diffusion aux différentes étapes du processus de transport dans les catalyseurs (cf. figure).
Cette connaissance des coefficients de diffusion est en effet requise pour le développement des modèles qui servent à la simulation des procédés de raffinage, dans l’optique de rendre ces derniers à la fois plus performants et plus robustes.

Ces nouvelles méthodologies de caractérisation ont notamment permis de mettre en évidence des phénomènes de ségrégation au sein du réseau poreux des catalyseurs, en fonction de la taille des asphaltènes, ainsi que d’obstruction par le dépôt relativement irréversible de ces hydrocarbures sur les parois internes des catalyseurs. C’est en particulier la cartographie de relaxométrie RMN [3] qui a permis de mieux caractériser les interactions existantes entre les parois des catalyseurs et les molécules d’asphaltènes.

Grâce à ces travaux, IFPEN dispose à présent d’une méthodologie expérimentale appropriée au développement de nouveaux matériaux catalytiques en meilleure adéquation avec les propriétés des composés présents dans les bruts lourds.

Publications

[1] Asphaltenes Transport into Catalysts under Hydroprocessing Conditions, Florine Gaulier, Bertrand Guichard, Pierre Levitz, and Didier Espinat, Energy Fuels, 2015, 29, 6250–6258
>> DOI: 10.1021/acs.energyfuels.5b01355

[2] Etude de la diffusion des charges des lourdes en conditions réelles dans les catalyseurs d’hydrotraitement, Thèse de l’université Claude Bernard, Lyon 1, présentée par Florine Gaulier, 2016

[3] Relation and Correlation between NMR relaxation times, diffusion coefficients, and viscosity of heavy crude oils, Jean-Pierre Korb, Nopparat Vorapalawut, Benjamin Nicot and Robert G. Bryan, The Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119, 24439 - 24446
>> DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b07510


 

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