Conversion du gaz naturel en ethylene dans un reacteur a lit fluidise turbulent

The aim of this work was to carry out a feasibility study of the ethylene synthesis from the catalytic oxidation of natural gas in a pilot fluidized bed reactor by using an air-natural gas co-feed approach operating in a turbulent hydrodynamic regime and to simulate the performance of the reactor by combining the kinetics of the oxidative coupling of methane with the hydrodynamics of the turbulent fluidized bed. The following methodology was employed: (1) to analyse the effects of temperature at the onset of the turbulent regime, (2) to determine the hydrodynamic limits and the fluidization ability of the catalysts used, (3) to characterize the bed hydrodynamic structure, (4) to study the effects of operation conditions on the reaction and (5) to predict the performance of the reactor by coupling kinetics and hydrodynamics.

In order to accomplish the objectives, the influence of temperature (20^oC to 790^oC) on the onset of turbulent regime was studied by using two types of particles (FCC and sand). The hydrodynamic characterization of the catalysts employed $\rm(La\sb2$O$\sb3$/sand and MgO) was done by using pressure transducers and a capacitance probe.

A first experiment set employing lanthanum oxide $\rm(La\sb2$O$\sb3)$/sand as catalyst allowed confirmation of stability and isothermal operation for the TFB both in the axial and radial directions. Ethylene selectivity, methane conversion and oxygen conversion increased with temperature reaching maximums of 35%, 12% and 55% respectively at an optimal temperature of 770-775^oC, a superficial gas velocity of 0.8 m/s and a 5.1-5.6 CH₄O₂ ratio. Reaction experiments using MgO catalyst were performed at 710-790^oC, 0.25-0.55 m/s gas superficial velocity, and 4-4.5 CH₄O₂ ratio. Methane conversions ranged between 10 and 27%, oxygen conversions between 30 and 85%, and ethylene selectivities between 15 and 35%. The conversion and selectivity tendencies when temperature increased were explained by more pronounced homogeneous phase reactions compared to selective reactions at elevated temperatures. Furthermore, measurements at different radial positions show an increase in the CH$\sb4$ conversion and C$\sb{2+}$ selectivity towards the wall. In addition, the catalytic conversion of natural gas was favored due to the excellent gas-solid contact in turbulent fluidized beds.

The overall gas phase distribution in the bubble and emulsion phases was estimated by using the probability distribution function of local voidage fluctuations in the bed. The mean voidage of the bubble phase increased with gas superficial velocity according to a first order model, while the voidage of the emulsion phase rose proportionally with gas superficial velocity. The results were correlated as a function of velocity and radial effect in the bed for the MgO catalyst. Finally, the performance of TFB reactor was simulated using single phase models (continuous stirred-tank reactor (CSTR), plug flow reactor (PFR), and dispersive plug flow reactor (DPFR)), and two complex models: a two-dimensional dispersive plug flow reactor with radial variation of bed voidage and a two-phase model. The predicted results were validated with experimental data considering axial and radial directions as well as temperature and velocity effects. (Abstract shortened by UMI.)

Alternate abstract:

L'objectif de ce travail était de réaliser une étude de faisabilité de la synthèse d'éthylène à partir de l'oxydation catalytique du gaz naturel dans un réacteur pilote à lit fluidisé en utilisant une approche de co-alimentation air-gaz naturel fonctionnant en régime hydrodynamique turbulent et de simuler la performances du réacteur en combinant la cinétique du couplage oxydatif du méthane avec l'hydrodynamique du lit fluidisé turbulent. La méthodologie suivante a été employée : (1) analyser les effets de la température au début du régime turbulent, (2) déterminer les limites hydrodynamiques et la capacité de fluidisation des catalyseurs utilisés, (3) caractériser la structure hydrodynamique du lit, (4) étudier les effets des conditions opératoires sur la réaction et (5) prédire les performances du réacteur en couplant cinétique et hydrodynamique.

Afin d'atteindre les objectifs, l'influence de la température (20^oC à 790^oC) sur l'apparition du régime turbulent a été étudiée en utilisant deux types de particules (FCC et sable). La caractérisation hydrodynamique des catalyseurs employés $\rm(La\sb2$O$\sb3$/sable et MgO) a été réalisée à l'aide de transducteurs de pression et d'une sonde capacitive.

Un premier ensemble expérimental utilisant l'oxyde de lanthane $\rm(La\sb2$O$\sb3)$/sable comme catalyseur a permis de confirmer la stabilité et le fonctionnement isotherme du TFB dans les directions axiale et radiale. La sélectivité de l'éthylène, la conversion du méthane et la conversion de l'oxygène ont augmenté avec la température atteignant respectivement des maximums de 35 %, 12 % et 55 % à une température optimale de 770-775 ^oC, une vitesse superficielle du gaz de 0,8 m/s et un rapport CH₄O₂ de 5,1-5,6. Des expériences de réaction utilisant un catalyseur MgO ont été réalisées à 710-790^oC, une vitesse superficielle du gaz de 0,25-0,55 m/s et un rapport CH₄O₂ de 4-4,5. Les conversions de méthane variaient entre 10 et 27 %, les conversions d'oxygène entre 30 et 85 % et les sélectivités en éthylène entre 15 et 35 %. Les tendances de conversion et de sélectivité lorsque la température augmentait s'expliquaient par des réactions en phase homogène plus prononcées par rapport aux réactions sélectives à des températures élevées. De plus, des mesures à différentes positions radiales montrent une augmentation de la conversion CH$\sb4$ et de la sélectivité C$\sb{2+}$ vers la paroi. De plus, la conversion catalytique du gaz naturel a été favorisée en raison de l'excellent contact gaz-solide dans les lits fluidisés turbulents.

La distribution globale de la phase gazeuse dans les phases de bulle et d'émulsion a été estimée en utilisant la fonction de distribution de probabilité des fluctuations de vide locales dans le lit. Le vide moyen de la phase de bulles augmentait avec la vitesse superficielle du gaz selon un modèle de premier ordre, tandis que le vide de la phase d'émulsion augmentait proportionnellement avec la vitesse superficielle du gaz. Les résultats ont été corrélés en fonction de la vitesse et de l'effet radial dans le lit pour le catalyseur MgO. Enfin, les performances du réacteur TFB ont été simulées à l'aide de modèles monophasiques (réacteur continu à cuve agitée (CSTR), réacteur à écoulement piston (PFR) et réacteur à écoulement piston dispersif (DPFR)), et de deux modèles complexes : un réacteur dispersif bidimensionnel réacteur à écoulement piston avec variation radiale du vide du lit et un modèle à deux phases. Les résultats prédits ont été validés avec des données expérimentales tenant compte des directions axiale et radiale ainsi que des effets de température et de vitesse. (Résumé abrégé par UMI.)