Description du procédé d’hydrodésalkylation du toluène

Il existe diverses voies pour la synthèse du benzène, parmi lesquels, le reformage catalytique, le vapocraquage et l’hydrodésalkylation du toluène. Le modèle du procédé d’hydrodésalkylation choisi est celui de [DOU 88], modifié par [TUR 98] et [TUR 09]. La figure 4.2 illustre le schéma du procédé HDA pour la production du benzène.

Ce procédé implique deux réactions, la conversion du toluène en benzène et l’équilibre entre le benzène et le diphényle : 4 6 6 2 8 7H H C + →C H +CH (4.1) 2 10 12 6 6 2C H ↔C H +H (4.2) avec:

C7H8 : Toluène, H2 : Hydrogène, C6H6 : Benzène, CH4 : Méthane, C12H10 : Diphényle

Le procédé d’hydrodésalkylation du toluène comprend essentiellement trois étapes : la première est la réaction entre le toluène et l’hydrogène qui a lieu dans un réacteur adiabatique. Elle est suivie de la séparation des phases liquide et vapeur et d’une purge de méthane pour éviter son accumulation dans le procédé. Le coproduit, méthane peut être soit brûlé comme combustible dans le four après séparation membranaire soit éliminé à la torche. Le diphényle est très souvent récupéré et valorisé en tant que tel par l’industrie de synthèse. Cependant dans cette étude ces deux coproduits seront considérés comme des polluants.

Figure 4.2. Procédé HDA proposé par [DOU88] Douglas (1988) modifié.

Contrairement aux autres procédés d’hydrodésalkylation, le procédé de Douglas (1988) n’utilise pas de catalyseur, mais les réactions ont lieu à haute température (environ 700°C). Le toluène pur et l’hydrogène (composé de 5% de méthane) sont introduits dans le procédé. Ce mélange est d’abord préchauffé dans un échangeur de chaleur, réchauffé avec les effluents du réacteur, avant son entrée dans le four. Dans le four, la température du mélange est portée aux environs de 621°C afin de favoriser la cinétique de réaction.

Dans le réacteur, le toluène et l’hydrogène à haute température se combinent pour donner le benzène. Cette réaction est exothermique. Le mélange chimique entre dans le réacteur à une température d’environ 621 °C pour en sortir à environ 680 °C. A cette température, une réaction parasite recombine les molécules de benzène pour donner du diphényle.

Dans un souci de récupération énergétique, les effluents du réacteur sont redirigés vers le préchauffeur afin d’échanger leur chaleur avec le mélange entrant. Ils en ressortent à environ 550 °C.

Ces effluents du réacteur sont tous à l’état gazeux (environ 550 °C) ; ce qui conduit à les refroidir à une température proche de celle de l’eau de refroidissement disponible, pour atteindre soit une condensation totale, soit une séparation des phases liquides et gazeuses.

Pour se faire, les gaz passent à travers un échangeur refroidisseur pour être refroidis d’une température de 550 °C à 38 °C. Cela peut être vu comme un condenseur partiel, avec un débit en sortie composé de gaz et de liquide. Cet effluent est ensuite introduit dans un flash à haute pression où l’équilibre liquide-vapeur peut être obtenu. Le flash haute pression possède deux débits en sortie, un débit liquide et un autre gazeux. La phase liquide du flash est dirigée vers le système de récupération de liquide tandis que la phase vapeur est récupérée.

Puisqu’un flash ne permet pas séparation tranchée, une fraction de la phase gazeuse sera entraînée dans la phase liquide et réciproquement. Si cette fraction de gaz constitue un contaminant pour le produit final, alors elle doit être extraite. Si les composés légers sont extraits avec le produit, leur incidence est une diminution de la pureté du produit final. La méthode pour atteindre la pureté souhaitée du produit est d’incorporer soit une colonne de distillation « stabilisateur » [DOU 88], soit un flash basse pression [TUR 98] et [TUR 09], dans le courant liquide entre le flash haute pression et la colonne de distillation du produit (benzène), afin d’éliminer l’hydrogène et le méthane qui s’y trouvent.

Les deux méthodes ayant été utilisées pour le même procédé dans le littérature, l’approche de [TUR 98] et [TUR 09] est retenue dans cette étude par souci de simplicité et de réduction du coût d’investissement. Le résidu du flash basse pression (BP), ne contiendra alors que trois produits : le toluène, le benzène et le diphényle.

Le tableau 4.1 indique que le benzène qui est le plus volatil dans le milieu ambiant sera séparé en premier dans la colonne de distillation qui suit le flash basse pression. Le résidu de cette colonne sera composé de toluène et de diphényle. Les points d’ébullition sont tels que le toluène est le plus volatil des deux. Donc ce dernier sera récupéré en distillat et recyclé vers le réacteur, tandis que le diphényle sera soit récupéré comme coproduit, soit rejeté comme polluant. Dans le cadre de cette thèse, le diphényle et le méthane sont considérés comme des polluants.

Tableau 4. 1. Points d’ébullition normale des constituants chimiques du HDA Composants Point d’ébullition

Hydrogène -253 °C

Méthane -161 °C

Benzène 80 °C

Toluène 111 °C

La satisfaction des besoins énergétiques du procédé tant au niveau des échangeurs de chaleur qu’au niveau des machines tournantes se fera par l’ajout d’une centrale thermique au procédé HDA. Cette centrale de production d’utilité est réalisée sous ArianeTMqui est un logiciel de modélisation et d’optimisation de centrales de production d’utilités et de leurs rejets (CO2,

SO2, NOx, etc..).

Il faut noter qu’ArianeTM a permis de modéliser dans le cadre de l’étude, non seulement la

production d’utilités requises (chaudière de production de vapeur haute pression, turbine pour la production d’électricité), mais également le four du procédé et ses émissions. Pour le couplage d’ArianeTM et du procédé d’hydrodésalkylation (modélisé sous MS Excel), un autre logiciel nommé PlessalaTM est utilisé. Celui-ci permet d’extraire les variables et les résultats d’ArianeTM et ainsi, grâce à un code VBA, de récupérer les variables et résultats sur une feuille Microsoft Excel. Ces valeurs seront ensuite utilisées dans le modèles HDA pour satisfaire les différents besoins énergétiques.