Synthèse de catalyseur de Fischer-Tropsch assistée par ultrasons

Chaque année, 140 milliards de mètres cubes de gaz naturel sont torchés au niveau des sites d'extraction de pétrole. Ce gaz provient des réservoirs de combustibles fossiles, et remonte dans le puits en compagnie des hydrocarbures liquides lors de son extraction. Le torchage consiste à brûler ce gaz en sortie de puits. C'est la solution la plus simple à mettre en place pour éviter de relâcher du gaz naturel (principalement du méthane) dans l'atmosphère ; il n'est en effet pas viable économiquement de transporter cette matière première par gazoduc, en particulier depuis les sites de forage reculés. Le torchage de gaz naturel contribue ainsi à hauteur de 300 millions de tonnes de CO2 aux émissions de gaz à effet de serre annuelles, soit près de 1 % des émissions mondiales. Cette pratique est aussi source de pollution locale autour des sites d'extraction, et constitue un gaspillage important de ressource énergétique. Une alternative au torchage est de convertir sur place le gaz naturel (GN) en hydrocarbures par un procédé mini-GTL (Gas-To-Liquid) : le GN est transformé en gaz de synthèse par oxydation catalytique partielle, puis en chaînes carbonées par la réaction de Fischer-Tropsch à 300 °C. Cette deuxième étape est une réaction de polymérisation et également une catalyse hétérogène : elle se produit à la surface de catalyseurs métalliques, principalement de fer ou de cobalt. La conversion des catalyseurs de Fischer-Tropsch de type supportés augmente avec la proportion en métal, et les méthodes de synthèses actuelles requièrent généralement plusieurs étapes d'imprégnation pour atteindre des chargements métalliques élevés, ce qui représente plusieurs jours ouvrables pour la seule étape d'imprégnation. Ce projet de maîtrise porte sur la conception d'un catalyseur de Fischer-Tropsch synthétisé par imprégnation assistée d'ultrasons, dans le contexte de la conception d'un réacteur mini-GTL. Les objectifs spécifiques du projet sont de synthétiser, caractériser et tester un catalyseur actif pour la réaction de Fischer-Tropsch dans les conditions d'un réacteur mini-GTL. La particularité de la procédure de synthèse retenue est qu'elle repose sur l'utilisation d'ultrasons. L'emploi d'ondes ultrasoniques lors de l'imprégnation tire parti de la cavitation acoustique — l'effondrement de bulles de gaz dans une solution liquide. De manière générale, la sonication améliore la dispersion des espèces actives des catalyseurs et augmente leur aire de surface ; elle augmente également le taux de transfert de matière dans la solution où se produit l'imprégnation, ce qui a pour avantage d'intensifier en temps les procédés chimiques. Au cours de ce projet, et pour la première fois, la sonication est appliquée pendant l'intégralité de l'imprégnation du catalyseur de Fischer-Tropsch. L'influence parallèle du barbotage d'argon dans la solution imprégnée est aussi étudiée. Après séchage et calcination, le catalyseur obtenu est caractérisé par SEM, XPS, BET, PSD et TGA. Ces analyses confirment la dispersion efficace des sites actifs sur la surface du support après imprégnation assistée par ultrasons. Elles montrent aussi que le barbotage d'argon pendant l'imprégnation atténue l'intensité de la cavitation acoustique, ce qui fournit un moyen de contrôle sur l'aire de surface et le diamètre médian du catalyseur. Ce dernier est ensuite testé dans un réacteur à lit fixe. Une première série de tests catalytiques étudie le comportement de catalyseurs de fer, avec ou sans promotion par le cobalt, synthétisés avec barbotage d'argon, à 220 °C et 270 °C. Ces tests mènent à une désactivation rapide des catalyseurs, attribuée à la réaction de Boudouard. Le catalyseur 15%(Fe)/ Al2O3 (non-promu par le cobalt) étant le plus performant, il est étudié dans un test supplémentaire où le temps de résidence est augmenté à 3 s en diminuant le débit entrant de réactifs. Les taux de conversion obtenus sont alors stables, pendant 120 h de test. La conversion du monoxyde de carbone atteint 79 %, le rendement envers les espèces C2+, 39 %. Le catalyseur 15%(Fe)/Al2O3 produit principalement des chaînes carbonées légères, et se caractérise par une probabilité de croissance de chaîne α de 0.66, typique des catalyseurs de fer testés à haute température. Ces résultats sont d'autant plus satisfaisant qu'ils sont obtenus après une étape d'imprégnation six fois plus courte que les méthodes traditionnelles, ce qui confirme l'intérêt de la cavitation acoustique comme technique d'intensification des procédés pour la synthèse de catalyseur de Fischer-Tropsch. En raison de la température d'opération du test (270 °C), le catalyseur est également actif pour la réaction parallèle de conversion du gaz à l'eau. À l'avenir, cet effet pourrait être atténué en modifiant la procédure d'activation du catalyseur ou en employant du dioxyde de carbone comme réactif, ce qui rendrait le catalyseur compatible avec les conditions d'opération de la réaction de Fischer-Tropsch au sein d'une unité mini-GT