Développement d'un réacteur innovant de type monolithe pour l'hydrogénation sélective d'huile végétale

Vegetable oil hydrogenation is a process used to increase oil texture and conservation properties for the food industry. The highly exothermic reaction consists in converting the C=C double bonds of "unsaturated" fatty acids in the presence of hydrogen and a solid catalyst. The hydrogenation of polyunsaturated fats must be favored, while reducing the isomerization into so-called trans fatty acids. This double selectivity objective is achievable at high hydrogen pressure (>10 bar) and low temperature ( 10 bar) et faible température (< 120°C). Les réacteurs structurés de type monolithe-échangeur représentent une alternative intéressante aux réacteurs discontinus à suspension, couramment utilisés. Constitués de nombreux canaux millimétriques, ces réacteurs sont faits d’une structure métallique conductrice. Ces canaux sont dédiés soit au fluide caloporteur - permettant un contrôle efficace de la température -, soit à la réaction - le catalyseur étant déposé à la paroi. Les conditions d’écoulement dites de Taylor - avec une succession de bulles et de bouchons liquides - sont privilégiées, afin d’approcher l'écoulement idéal « piston » et d’accélérer le transfert gaz-liquide grâce, notamment, à la présence d’un fin film liquide entre la bulle et la paroi du canal. Ce travail a pour objectif d’évaluer la pertinence des réacteurs de type monolithe pour l’hydrogénation d’huiles végétales, en particulier de tournesol. Pour ce faire, trois modèles ont été développés concernant : l’évolution de la viscosité de l’huile, sa cinétique d’hydrogénation et une simulation CFD du réacteur, incluant les deux premiers aspects et donc le couplage fort entre les phénomènes physiques impliqués. L’évolution de la viscosité avec le degré de saturation de l’huile est quantifiée grâce à un modèle à contribution de groupes revisité. Une approche semiprédictive a été adoptée où la mesure de la viscosité de l’huile considérée à un degré de saturation connu sert de référence pour prédire la viscosité à tout autre degré de saturation. Elle permet aussi d’établir des corrélations spécifiques pour la diffusivité de l’hydrogène et des triglycérides (TAG), molécules transportant les acides gras, dans les huiles végétales. La modélisation cinétique développée a pour originalité la prise en compte d’une dépendance distincte à la pression de l’hydrogène des réactions d’hydrogénation et de celles d’isomérisation. Sur la base d’un mécanisme de type Horiuti–Polanyi, des lois de vitesse ont été établies considérant une adsorption soit associative, soit dissociative de H2. Leurs paramètres ont été identifiés grâce à des expériences réalisées en autoclave avec de l’huile de tournesol pour un catalyseur Pd/Al2O3. Une analyse statistique a ensuite permis de retenir le modèle le plus adéquat. Pour la modélisation numérique de l’écoulement, l’approche dite de la « cellule unitaire », consistant à suivre le long du canal une bulle entourée de demi-bouchons de liquide, est adoptée. Cette stratégie permet de simuler numériquement un canal, et, sous réserve d’une alimentation uniforme, l’intégralité du réacteur. L’application COMSOL MULTIPHYSICS® permet d’implémenter aisément les modèles de viscosité et cinétique précédents et de mettre en évidence l’interdépendance entre l’hydrodynamique, le transport de matière et la réaction. Des hydrogénations, réalisées en canal catalytique unique entre 80 et 160°C et 10 et 21 bar, ont été comparées aux résultats du modèle CFD complet. Un bon accord est noté, aussi bien en terme d’avancement que de sélectivité : les résistances au transfert de matière entre le liquide et la paroi ont pour effet de favoriser la production d’acides gras saturés, mais de limiter celle d’acides gras trans. Le modèle numérique validé sert au développement d’un outil de dimensionnement plus direct grâce à l’évaluation de coefficients de transfert de matière issus de corrélations ou de simulations dédiées. Ce dernier peut être mis à profit pour l’optimisation du procéd