Development of Microwave Heating-Assisted Catalytic Reaction Process: Application for Dry Reforming of Methane Optimization

Les ressources conventionnelles de combustibles à base de pétrole sont en train de subir une période transitoire de déclin à cause des préoccupations environnementales liées à l'extraction, le traitement, l'application et aussi à l'épuisement irrépressible des réserves disponibles. Actuellement, le pétrole constitue le vecteur énergétique prédominant qui contrôle 33% du marché mondial d'énergie tandis que 1697.6 milliards barils estimés globalement comme réserves disponibles vont couvrir à peine la demande universelle en énergie pour les 50 prochaines années. Par conséquent, le secteur énergétique est rapidement inspiré de chercher une feuille de route alternative pour la perspective de la demande mondiale. Le gaz naturel, mélange de hydrocarbures légers dominé par le méthane comme constituant principal a été délibéré comme candidat robuste grâce à sa distribution mondiale, sa disponibilité et aussi ses diverses applications. Ainsi, grâce à la forte croissance de l'offre et à la conformité avec les politiques environnementales mondiales strictes, le gaz naturel a été fortement considéré comme l'énergie la plus croissante et le ressource de la production chimique. Toutefois, la distribution générale des ressources de gaz naturel sous forme d'hydrate dans les régions éloignées, les zones désertes et au fond des océans a suscité une controverse liée à l'accessibilité, le transport et les activités de manipulation. La conversion du méthane en produits chimiques à valeur ajoutée a été fortement considérée pour remédier aux déficiences associées en conséquence au transport, à la manipulation et à la distribution des composants gazeux. Or, le procédé proéminent menant à la conversion du méthane au gaz de synthèse a été mis en évidence comme une approche substantielle pour préserver un cycle d'énergie carboneutre pour la perspective prospective d'énergie. Le gaz de synthèse, un mélange gazeux vraisemblablement dominé par l'hydrogène et le monoxyde de carbone est une matière première robuste pour une multitude de procédés de fabrication de produits chimiques et aussi énergivores. Subséquemment, plusieurs approches scientifiques ont été implémentée pour convertir le méthane en gaz de synthèse, substantiellement, les procédés du vaporeformage (SRM), l'oxydation partielle (POx) et le reformage à sec du CO2 (DRM). Simultanément, le procédé DRM a été renommé comme la méthode de conversion du méthane la plus avantageuse grâce aux avantages environnementaux, au ratio de composition du produit (H2/CO) et la flexibilité du procédé. Initialement étudié par Fischer et Tropsch, le reformage à sec du méthane est une réaction endothermique menant à un ratio H2/CO proche de l'unité et ainsi offrant une possibilité stimulante de convertir le gaz de synthèse en produits chimiques, en méthanol, et des hydrocarbures à longue chaine particulièrement à travers le procédé de Fischer-Tropsch. De plus, le mécanisme du DRM permet de réaliser la conversion des deux composants clés des gaz à effet de serre à savoir CO2 et CH4 et permettant ainsi d'établir un avantage environnemental instantané. Toutefois, et à cause des multiples équilibres thermodynamiques, le procédé de reformage à sec DRM est fortement affecté par la production de sous-produits indésirables associée aux réactions secondaires en phase gazeuse à savoir la dégradation thermique du méthane, la réaction de la conversion à la vapeur d'eau et la dismutation du monoxyde de carbone. L'évolution de la réaction secondaire en phase gazeuse diminue drastiquement la sélectivité des composants du gaz de synthèse et mène ainsi à un produit de mauvaise qualité. Par conséquent, plusieurs études concentrées principalement sur le développement d'un système catalytique à haute performance ont été rapportées. Cependant, l'application industrielle du reformage à sec a été bloquée à cause de la non disponibilité d'un catalyseur efficace et économique et aux grands besoins en énergie. Bien que plusieurs études portant sur le design et l'optimisation du catalyseur pour résoudre le problème de sélectivité ont été rapportées dans la littérature, le manque d'études portant sur l'effet de la méthode de chauffage est évident. Le développement des sources d'énergie renouvelables à savoir l'énergie solaire et éolienne a été reconnu comme une opportunité remarquable pour répondre aux exigences du marché énergétique et en même temps être conforme à la réglementation environnementale stricte pour protéger la planète contre une destruction irrémédiable. Or, les progrès récents concernant les techniques de production et de récolte, la dégradation et l'épuisement des réserves de combustibles fossiles, les procédés en série et la disponibilité spontanée des matières premières ont développé des critères pour diviser les ressources d'énergie renouvelable en ressources non rentables économiquement et à des ressources largement accessibles. Par conséquent, l'avènement des ressources d'énergie renouvelable rentable économiquement et écologiques prévoit une opportunité appréciée pour produire rapidement une électricité propre et accessible. Ainsi, l'opportunité d'obtenir une électricité renouvelable abordable offre une perspective exceptionnelle d'effectuer des réactions chimiques via des méthodes de traitement électromagnétiques à savoir, le chauffage par induction, le chauffage par ultrasons et le chauffage à micro-ondes. Ainsi, pour remédier aux déficiences susmentionnées et relatives au procédé du reformage à sec DRM et plus généralement relatives aux conséquences liées aux réactions gaz-solide, la présente étude propose l'application du chauffage à micro-ondes pour l'optimisation des réactions catalytiques gaz-solide. Les avantages majeurs de la méthode de chauffage à micro-ondes comprennent le chauffage sélectif, uniforme et volumétrique, une densité de puissance élevée, un contrôle de température instantané, une consommation d'énergie réduite, une sélectivité de réaction élevée, moins de limitations liées au transfert de chaleur, la flexibilité du procédé et la portabilité de l'équipement. Toutefois, la caractéristique clé de la méthode de chauffage à micro-ondes est associée au mécanisme exclusif de chauffage sélectif. Quand les matériaux sont exposés aux radiations micro-ondes, leur niveau d'énergie interne est augmenté en fonction des leurs propriétés diélectriques projetées et qui sont liées aux caractéristiques physiques et structurels. Cependant, le matériau principal le plus utilisé à savoir les composés gazeux échouent à projeter une interaction significative avec les micro-ondes à cause de l'insuffisance de leurs propriétés diélectriques. Par conséquent, et contrairement aux méthodes conventionnelles de chauffage, le mécanisme de chauffage à micro-ondes établit un gradient de température significatif entre la phase solide diélectrique et la phase gazeuse pour les réactions catalytiques gaz-solide. Ainsi, la température locale élevée sur les sites actifs du solide favorise la réaction catalytique tandis que la température faible du gaz permet de limiter la perspective des réactions secondaires en phase gazeuse. Par conséquent, le présent travail de recherche est classifié en trois sections principales : 1) La préparation de l'activateur du catalyseur/récepteur des micro-ondes : le récepteur des micro-ondes a été développé dans un réacteur à lit fluidisé pour le dépôt chimique en phase vapeur (FBCVD). Ainsi, le carbone a été déposé sur un substrat de sable de silice en utilisant le méthane dans un équipement de chauffage par induction. L'effet des conditions opératoires à savoir la température et le temps de réaction sur les propriétés de la couche de revêtement a été déterminé. Ainsi, la composition, l'épaisseur et la morphologie de la couche de revêtement en carbone a été examinée pour plusieurs conditions opératoires. Finalement, la performance des particules de sable de silice revêtues en carbone (C-SiO2) a été évaluée dans un lit fluidisé utilisant le chauffage à micro-ondes à l'échelle laboratoire. Il a été démontré que les particules C-SiO2 présentent une interaction exceptionnelle avec les micro-ondes grâce à leurs propriétés diélectriques significatives. Les particules C-SiO2 développées ont été recommandées pour leur application comme récepteur à micro-ondes et support/activateur de catalyseur pour les réactions catalytiques gaz-solide. 2) L'importance du mécanisme de chauffage : l'effet du mécanisme de chauffage à micro-ondes sur la réaction d'oxydation sélective gaz-solide a été étudié par la simulation de la conversion du n-C4 en MAN sur le catalyseur VOP dans un réacteur à lit fluidisé à l'échelle industrielle. Il a été démontré qu'en fonction des propriétés diélectriques des composants, un gradient de température persiste entre le gaz et le solide. A cause de l'incapacité de mesurer directement le profil de température du gaz, les profils de température de la surface du solide et le profil de température du mélange ont été obtenu à l'aide des méthodes de radiométrie et thermométrie dans un réacteur à lit fluidisé chauffé à micro-ondes à l'échelle laboratoire. Ainsi, l'effet des conditions opératoires de la température et la vitesse superficielle du gaz sur les profils de température associés a été étudié. En outre, des corrélations ont été proposées pour estimer le profil de température de gaz à travers le lit en utilisant les données expérimentales et le bilan énergétique. Les profils de température du gaz, du solide et du mélange ont été utilisés après pour comparer le chauffage conventionnel et à micro-ondes pour la conversion de n-C4 et la sélectivité du MAN dans l'étude de simulation. Les résultats ont révélé que le chauffage à micro-ondes est supérieur en terme de la productivité de la réaction. La réaction catalytique assistée par micro-ondes : le reformage à sec du méthane dans un réacteur à lit fluidisé chauffé à micro-ondes à l'échelle laboratoire a été effectué pour étudier l'effet du mécanisme de chauffage sur l'évolution des produits. Ainsi, l'effet de la température de fonctionnement sur la conversion des réactifs et la sélectivité des produits désirés, H2 et CO a été rigoureusement étudié. Il a été conclu que le chauffage à micro-ondes favorise les réactions catalytiques tout en limitant les réactions secondaires en phase gazeuse indésirables.