Exemples d’application

Afin d’illustrer la méthode proposée, nous nous appuyons sur les résultats du chapitre 4 (Ce/Cnorit 5 : 1) ainsi que sur les travaux de Imran et al. [91]. Les conditions opératoires, les catalyseurs employés ainsi que leurs coûts et les teneurs molaires des bio-huiles craquées (sur base anhydre) sont présentés dans le tableau 24.

Ce/Cnorit 5 : 1 Imran et al., 2014

Température pyrolyse (°C) 500°C 500°C

Température craquage catalytique (°C) 400°C 500°C

Catalyseur craquage catalytique Ce/Cnorit (20% CeO2) Na2CO3/γ-Al2O3

Masse de catalyseur (g) 20g 200g

Ratio biomasse : catalyseur 5 : 1 1 : 1

WHSV (h^-1) 1,6 3,4

Ratio molaire (O/C)1’ bio-huile craquée 0,42 0,12

Ratio molaire (H/C)1’ bio-huile craquée 1,42 1,17

Kcata craquage (€/T) 16 800€/T⁷⁸ 50 000€/T

Tableau 24 Comparaison des conditions opératoires et des résultats obtenus à p

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Le coût du catalyseur Ce/Cnorit a été calculé en considérant que le coût du charbon actif Norit RX1.5 EXTRA est de 8 500€/T (http://www.cabotcorp.com/) et que le coût de la cérine est de 50 000€/T (

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a. Détermination de l’intensité du craquage catalytique

Nous avons montré que l’intensité du craquage catalytique dépend du degré de décarboxylation de l’huile de pyrolyse. Néanmoins, comment « mesurer », en pratique, l’intensité du craquage catalytique ?

Le diagramme de Van Krevelen est un outil graphique qui permet de comparer les ratios O/C et H/C d’un composé organique. Il est possible calculer l’équation des courbes de niveaux de l’intensité du craquage catalytique afin de pouvoir estimer la valeur Icraquage graphiquement sur un diagramme de Van Krevelen à partir des ratios O/C et H/C de l’huile craquée (exprimés sur base anhydre).

D’après l’équation 27, les ratios O/C et H/C de l’huile craquée (débit 1’) valent respectivement : (^𝑂_𝐶)

1′=^{0,54−𝑎−2𝑏}_1−𝑏

Équation 46 Expression du ratio molaire O/C des bio-huiles craquées (débit 1’) en fonction des coefficients stœchiométriques de déshydratation et de décarboxylation

(^𝐻

𝐶)

1′ =^1,43−2𝑎

1−𝑏

Équation 47 Expression du ratio molaire H/C des bio-huiles craquées (débit 1’) en fonction des coefficients stœchiométriques de déshydratation et de décarboxylation

D’après ces deux équations et en faisant apparaître Icraquage, nous obtenons : (^𝐻_𝐶)

1′ = 2 (^𝑂_𝐶)

1′+ 2 (^{0,175+0,54𝐼}𝑐𝑟𝑎𝑞𝑢𝑎𝑔𝑒 1−0,27𝐼_{𝑐𝑟𝑎𝑞𝑢𝑎𝑔𝑒} )

Équation 48 Relation liant les ratios molaires O/C et H/C des bio-huiles craquées à l’intensité du craquage catalytique. Cette équation peut être représentée par un faisceau de droites sur un diagramme de Van Krevelen

L’équation 48 montre que les courbes de niveau du craquage catalytique sur un diagramme de Van Krevelen sont des droites de coefficient directeur 2 et dont l’ordonnée à l’origine est fonction de l’intensité du craquage. Les courbes de niveaux sont représentées sur le diagramme de Van Krevelen de la figure 83. A partir de cette figure, il suffit de connaître les coordonnées (ratios O/C et H/C) de l’huile craquée pour estimer graphiquement l’intensité du craquage catalytique. La courbe en pointillé indique le cas où la désoxygénation a lieu uniquement par décarboxylation (a = 0). D’autre part, remarquons que la courbe « Icraquage = 0% » correspond au cas où le craquage catalytique a uniquement lieu par déshydratation (b = 0).

Chapitre 5 Etude de faisabilité de l’intégration du craquage catalytique dans la filière

d’hydrodésoxygénation des bio-huiles pour produire des biocarburants

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Figure 83 Détermination graphique de l’intensité du craquage catalytique représentée sur un diagramme de Van Krevelen à partir des ratios O/C et H/C (exprimés sur base sèche) des bio-huiles craquées de l’essai « Ce/Cnorit 5 : 1 » et des travaux de « Imran et al. 2014 »

En reportant les résultats des deux essais présentés dans le tableau 24 sur la figure 83, l’intensité du craquage pour l’essai « Ce/Cnorit 5 : 1 » est de 19% alors que l’intensité du craquage de l’essai de Imran et al. est de 44%.

b. Détermination de la durée de vie minimale du catalyseur

Afin de représenter graphiquement l’équation 45, nous pouvons remarquer que seuls le débit de bio-huile - 𝑚̇1 - et le coût du craquage catalytique maximal - 𝑃̇𝑐𝑟𝑎𝑞𝑢𝑎𝑔𝑒 𝑚𝑎𝑥 - dépendent de Icraquage. En d’autres termes, cette inéquation s’exprime de la manière suivante :

𝑑_{𝑐𝑎𝑡𝑎 𝑐𝑟𝑎𝑞𝑢𝑎𝑔𝑒}× 𝑊𝐻𝑆𝑉_{𝑐𝑎𝑡𝑎 𝑐𝑟𝑎𝑞𝑢𝑎𝑔𝑒}≥ 𝐾_{𝑐𝑎𝑡𝑎 𝑐𝑟𝑎𝑞𝑢𝑎𝑔𝑒}× 𝑓(𝐼_{𝑐𝑟𝑎𝑞𝑢𝑎𝑔𝑒})

Équation 49 Condition de viabilité économique de la filière intégrant le craquage catalytique en fonction de la durée de vie du catalyseur, du WHSV et de son coût (Kcata craquage)

Avec f(Icraquage) une fonction dépendant du paramètre Icraquage.

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Figure 84 Détermination du produit « WHSV.d » à partir de l’intensité du craquage et du coût du catalyseur de craquage catalytique

L’intérêt de cette représentation graphique est qu’elle permet de déterminer les conditions minimales requises - WHSV et durée de vie - par le catalyseur de craquage à partir du paramètre Icraquage et du coût du catalyseur. Ces conditions sont exprimées à partir du produit « WHSV.d ». Comme évoqué précédemment, dans le cas de l’essai effectué par Imran et al., l’intensité du craquage catalytique est de 44%. Or, le coût de ce catalyseur est estimé à 50 000€/T (tableau 24). Dans ce cas, le produit « WHSV.d » vaut 620h^-1.h. De plus, comme le WHSV est égal à 3,4h^-1, ce résultat implique que la durée de vie du catalyseur Na2CO3/γ-Al2O3 doit nécessairement être supérieure à 182h pour que la filière soit économiquement viable.

Par un raisonnement similaire à partir des résultats effectués avec le catalyseur Ce/Cnorit (ratio 5 : 1) - pour lequel Icraquage = 19% et WHSV = 1,6h^-1 - nous obtenons que le produit « WHSV.d » doit être supérieur à 500h^-1.h. Ceci implique que la durée de vie du catalyseur Ce/Cnorit doit être supérieure à 312h pour que la filière intégrant le craquage catalytique soit plus avantageuse que la filière de référence. En se référant aux résultats du chapitre 4 et notamment aux essais effectués sur molécules modèles avec le catalyseur Ce/Cnorit, une durée de vie aussi importante ne semble pas réaliste. En effet, ce catalyseur se désactive en quelques heures en présence de guaiacol. Néanmoins, il convient de rappeler que ni les propriétés de ce catalyseur ni les conditions opératoires n’ont été optimisées. Par conséquent, il nous semble raisonnable de penser que les paramètres opératoires peuvent être ajustés pour augmenter la durée de vie de ce catalyseur et/ou améliorer son efficacité. De plus, il est envisageable de réduire le coût de ce catalyseur en réduisant la teneur en cérine ou en utilisant un support moins onéreux. C’est pourquoi, dans le paragraphe suivant, nous appliquons cette méthodologie à des cas extrapolés en tenant compte d’hypothèses plus favorables.

Chapitre 5 Etude de faisabilité de l’intégration du craquage catalytique dans la filière

d’hydrodésoxygénation des bio-huiles pour produire des biocarburants

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