CiTHerE

Cinétique, Thermodynamique, Énergie

L'axe CiTherE est constitué de spécialistes en cinétique chimique, thermodynamique et génie de la réaction chimique. Les domaines d'études sont principalement centrés sur l'énergie et ont pour objectif le développement de systèmes énergétiques plus performants, plus économes et plus respectueux de l'environnement, à travers une approche couplant la chimie physique et le génie des procédés. Les travaux expérimentaux et théoriques développés au sein de cet axe conduisent à une approche originale permettant de passer de la compréhension et de la modélisation des phénomènes à l'échelle moléculaire à l'échelle du réacteur ou du procédé.

Les recherches menées s’articulent autour de trois thématiques :

la cinétique des réactions de pyrolyse, d'oxydation et de combustion qui recouvre des domaines d'études tels que la formation et l'exploitation du pétrole, la combustion dans les moteurs ou brûleurs, la formation de polluants ou encore la destruction de toxiques chimiques par voie thermique.
la thermodynamique pour les procédés incluant la thermodynamique des équilibres de phase et l'utilisation rationnelle de l'énergie. Parmi les principaux domaines d'étude, on peut citer le développement d’équations d’état applicables à de larges gammes de procédés industriels, la conception de solvants respectueux de l’environnement pour des opérations d’extraction ou pour des cycles thermodynamiques de puissance ou de réfrigération.
la conversion thermochimique de la biomasse, notamment la pyrolyse, la gazéification et la liquéfaction pour produire des synthons verts ou des vecteurs énergétiques (gaz de synthèse, carburants liquides). Les recherches couvrent différentes échelles : 1) l’étude des réactions à l’échelle moléculaire, avec des méthodes d’analyses originales, 2) l’étude des réacteurs (modélisation et essais) et 3) l’analyse environnementale des filières.

Cinétique des réactions thermiques : pyrolyse, oxydation, combustion

Les études menées dans cette thématique visent à élaborer des modèles cinétiques détaillés mis en jeu dans les processus de pyrolyse, d'oxydation ou de combustion de composés purement hydrocarbonés ou contenant des hétéroatomes (O, N, S, Cl, ...). Ces modèles permettent d'accéder à des informations chimiques importantes comme la nature et les quantités de polluants formés, les délais d'auto-inflammation, l'effet d'additifs sur la réactivité des carburants ou encore l'évolution de la composition d'un pétrole. Ces études ont conduit à la création d'un logiciel de génération automatique de mécanismes (EXGAS), actuellement adapté aux hydrocarbures ainsi qu'à certains biocarburants (alcools, esters). En parallèle, des mesures expérimentales dans des réacteurs idéaux sont réalisées afin d'obtenir des données nécessaires au développement et à la validation de ces modèles. De même le recours aux méthodes de calculs ab initio permet d'accéder aux constantes de vitesse nécessaires aux simulations.

Thermodynamique des procédés

Les logiciels de simulation (suite Aspen, Simulis, PRO/II) sont au cœur de l’optimisation et de la conception des procédés et requièrent des modèles thermodynamiques capables de prédire les équilibres de phases et les propriétés énergétiques sans avoir recours à des données expérimentales. Pour répondre à cette demande, nous développons plusieurs modèles utilisant le concept de contributions de groupes de sorte que la seule connaissance de la structure chimique des molécules présentes dans un mélange permet de prédire ses propriétés. Nous réalisons également des mesures expérimentales (ébulliométrie, chromatographie, densimétrie, mesures de points critiques, etc.) pour caractériser le comportement thermodynamique des corps purs et des mélanges. Un de nos objectifs est de mettre en œuvre une approche thermo-environnementale pour concevoir des procédés éco-efficients (utilisant des solvants verts) et énergétiquement optimisés.

Conversion thermochimique de la biomasse

Les activités de recherches associées à cette thématique reposent sur une approche multi-échelle qui traite des mécanismes moléculaires aux réacteurs jusqu’à l’analyse globale des procédés.

À l’échelle moléculaire, nous étudions les mécanismes de pyrolyse et de liquéfaction de la biomasse et de ses constituants (cellulose, lignine, etc.). Nous étudions également les réactions catalytiques de désoxygénation de la biomasse et d’oxydation du charbon. A l’échelle du réacteur, nous étudions les lits fluidisés (essais de 1g à 10kg/h au LRGP) et des réacteurs de pyrolyse/liquéfaction de la lignine et des déchets. A l’échelle du procédé, nous développons des modèles sous le logiciel Aspen Plus afin de prédire les bilans matière et énergie des filières, en associant la mobilisation de la ressource (transport, prétraitement) jusqu’à l’émission des polluants. Ces données permettent de conduire des analyses environnementales des filières.