Synthèse d'un catalyseur de fer supporté sur de l'alumine par séchage par atomisation pour la réaction de Fischer Tropsch en lit fluidisé

Chaque année, le torchage du gaz naturel sur les sites d’extraction pétrolière représentent une quantité de plus de 350 millions de tonnes de CO2 équivalent émise dans l’atmosphère. Le volume annuel de gaz naturel torché réprésente une quantité d’énergie gaspillée égale à 1800 TWh. Le torchage consiste à brûler la fraction gazeuse dissoute dans le pétrole brut extrait sans récupération d’énergie. L’intérêt étant d’éviter d’émettre du CH4 qui possède un pouvoir de réchauffement 28 fois plus élevé. Cette situation s’explique par le fait qu’il n’est pas économiquement rentable de transporter le gaz naturel depuis les sites d’extraction pétrolière généralement situés dans des zones géographiquement isolées. Les technologies Gas à Liquide (GTL) permettent de convertir le gaz naturel en hydrocarbures liquides directement sur le site, néanmoins les usines actuelles ne sont pas rentables pour les faibles volumes de gaz naturel. Des micro unités GTL capable de synthétiser des volumes de 16m3 d−1 d’hydrocarbures liquides ont ainsi été développés pour pouvoir exploiter le gaz naturel torché. Ce projet prend place dans le cadre de la conception de l’unité de micro raffinage développée par le Professeur Gregory Patience et son groupe de recherche. L’unité de micro raffinage convertit tout d’abord le gaz naturel issu des sites d’extraction pétrolière en un mélange de H2 et CO, appelé gaz de synthèse, via la réaction d’oxydation partielle catalytique. Le gaz de synthèse est ensuite convertit en hydrocarbures liquides par la synthèse de Fischer Tropsch. L’unité de micro raffinage est notamment capable de produire 10 bbl/d de combustible liquide. L’objectif de ce projet est de synthétiser un catalyseur pour la réaction de Fischer Tropsch au sein de l’unité de micro raffinage. La synthèse de Fischer Trospsch s’effectue à 300 ◦C et 20 bar dans un réacteur à lit fluidisé. Le choix s’est porté sur un catalyseur de fer supporté sur de l’alumine. On promeut le catalyseur avec du cuivre et du potassium pour améliorer l’activité et la sélectivité du catalyseur. On cherche plus précisément à maximiser la conversion du CO du gaz de synthèse et la sélectivité de la réaction pour les hydrocarbures à longues chaînes tout en ayant un catalyseur suffisamment robuste pour résister aux contraintes mécaniques à l’intérieur du réacteur. Le réacteur fonctionne avec une quantité de 40 kg de catalyseur, la méthode de synthèse utilisé est le séchage par atomisation. Le séchage par atomisation permet de synthétiser en continu plusieurs dizaines de kilogrammes de catalyseurs tout en diminuant le nombre d’étapes de synthèse comparativement aux méthodes traditionnelles d’imprégnation et coprécipitation. Le séchage par atomisation permet la déposition du fer sur le support d’alumine tout en séchant le catalyseur simultanément.

Abstract

Natural gas flaring at oil extraction sites emits annually more than 350 million tonnes of CO2 equivalent into the atmosphere. The volume of natural gas flared annually represents a quantity of wasted energy equal to 1800 TWh. Flaring consists of burning off the gaseous fraction dissolved in the extracted crude oil without energy recovery. Flaring produces CO2 rather than venting CH4, which has 28 times greater warming power. Oil and gas compa- nies flare natural gas because it is uneconomic to transport natural gas from oil extraction sites, which are generally located in geographically isolated areas. Gas-to-Liquids (GTL) technologies convert natural gas into liquid hydrocarbon onsite, however current plants are unprofitable for small volumes of natural gas. Micro GTL units capable of synthesizing vol- umes of 16 m3 d−1 liquid hydrocarbons have therefore been developed to exploit flared natural gas. This project is part of the design of the micro-refining unit developed by Professor Gregory Patience and his research group. The micro-refining unit first converts natural gas from oil extraction sites into a mixture of H2 and CO, called syngas, via the catalytic partial oxidation reaction. Fischer-Tropsch reaction then synthesis liquid hydrocabons with the syngas. The micro unit produces 10 bbl/d of liquid fuel. The project focus on synthesize a catalyst for Fischer Tropsch reaction within the micro-refining unit. Fischer Trospsch synthesis operates at 300 ◦C and 20 bar in a fluidized bed reactor. Iron sup- ported on alumina and promoted by copper and potassium catalyzes the reaction. We want to maximize CO conversion from syngas and reaction selectivity for long-chain hydrocarbons, while at the same time having a catalyst robust enough to withstand the mechanical stresses inside the reactor. The reactor operates with 40 kg of catalyst, and the synthesis method is spray drying. Spray drying produces continuously dozens of kilograms of catalyst and reduce the number of synthesis steps compared with traditional impregnation and coprecipitation methods. Spray- drying deposits the iron on the alumina support while simultaneously drying the catalyst.