Optimisation et caractérisation d’un nouveau support catalytique à base de mousses alvéolaires de β-SiC : application à la synthèse de Fischer-Tropsch

La réaction catalytique appelée Synthèse de Fischer Tropsch (SFT) permet de transformer du gaz de synthèse, i.e. mélange de H2 et de CO, en une distribution d’hydrocarbures (CnH2n+2 avec 1 < n < 60-100), plus ou moins saturés et plus ou moins oxygénés. La voie GTL (Gas-To-Liquids) incluant la SFT, est donc une opportunité permettant de transformer les gaz de torchage des puits de pétrole et/ou les stranded gas en produits utilisables dans les moteurs automobiles ou d’avion. Les catalyseurs utilisés jusqu’alors dans les procédés Fischer-Tropsch sont composés de cobalt ou de fer déposés sur alumine ou silice, et, bien que présentant de bonnes performances, ceux-ci sont fortement limités par la forte exothermicité de la réaction, qui induit une élévation importante de la température à la surface du catalyseur et donc une sélectivité vers les produits désirés relativement faible. Dans ce contexte, le carbure de silicium (β-SiC) a été proposé comme support de remplacement aux supports oxydes classiques de manière à mieux évacuer la chaleur dégagée par la réaction et conserver ainsi une meilleure sélectivité de la réaction même à haute conversion. De plus, il a été proposé d’étudier l’impact de la morphologie du support catalytique (extrudés, mousses alvéolaires) sur la réaction de Fisher Tropsh. Il s’est avéré que les propriétés intrinsèques des supports alvéolaires à base de β-SiC (bonne conductivité thermique effective, faible perte de charge, etc…) laissent entrevoir de nouvelles perspectives pour la réaction de Fischer Tropsch en lit fixe. Lors de nos travaux, le carbure de silicium en tant que support a montré de meilleures activités que l’alumine, que ce soit sous forme d’extrudés ou sous forme de mousse. En effet, des emballements thermiques ont été observés sur alumine alors que l’utilisation du β-SiC a permis un meilleur contrôle des gradients de température dans le lit catalytique et ainsi une meilleure sélectivité de la réaction catalytique. Une étude approfondie a permis d’estimer l’influence de la charge en phase active sur les performances catalytiques du catalyseur supportés sur mousses de β-SiC. Un modèle géométrique simple a été développé afin d’estimer la perte de charge induite par les supports de type alvéolaire. Une corrélation avec les packed bed a été développée et s’est montrée capable, grâce à la relation d’Ergun, d’estimer les pertes de charge qu’engendre le passage d’un fluide dans la structure des mousses. Enfin, une étude sur les écoulements biphasique au sein des structure type mousse a permis de mettre en évidence les fortes retentions liquides induites par ce type de support en comparaison avec les lits classiques.The catalytic Fischer Tropsch Synthesis (FTS) enables the transformation of synthetic gas, i.e. mixture of H2 and CO, into a distribution of hydrocarbons (CnH2n+2 with 1 < n < 60-100), more or less saturated and more or less oxygenated. The Gas to Liquids way, including FTS, is consequently an opportunity allowing the transformation of the flared and/or stranded gas into liquid hydrocarbons for car or plane fuelling. This could first reduce the CO2 release in the atmosphere and secondly increase the oil resources by the transformation of natural gas. The classical catalysts used in Fischer-Tropsch processes are composed of cobalt or iron supported on alumina or silica, and, although they present good performances, they are highly constricted by the high exothermicity of the reaction inducing high temperature on the catalyst surface, leading to low selectivity towards desired products (i.e. long chained parafins). In this context, silicon carbide (β-SiC) has been proposed as replacement support to alumina and silica in order to better evacuate the heat released by the reaction and thus keeping higher selectivity even at high conversion levels. Moreover, always in order to optimize the process, the impact of the catalytic support morphology (extrudates, cellular foams) on the Fischer-Tropsch reaction has been studied. It appeared that the intrinsic properties of the cellular supports (high effective thermal conductivity, low pressure drops) could let foresee new perspectives in the fixed bed FT reaction. In this work, silicon carbide as catalyst support revealed to be far more attractive than alumina both in the form of extrudates or cellular foams. Indeed, thermal runaway have been observed on alumina whereas the use of β-SiC allowed better control of the temperature and thus better selectivity towards C5+ products. A study on the influence of the active phase charge on the catalytic performances of the catalyst supported on β-SiC foams has been performed. A simple geometric model of the foam as been developed in order to estimate the pressure drop induced by the cellular supports. A correlation with classical packed beds was showed to be able to model the pressure loss induced by a gaseous flow in the cellular material. Finally, a study on the biphasic behaviour of β-SiC foams has evidenced higher liquid hold-ups compared to classical packed beds. The influence of this property on the FT reaction has here not been made and will be the subject of a next study