{"id":21022,"date":"2024-08-19T09:45:40","date_gmt":"2024-08-19T07:45:40","guid":{"rendered":"https:\/\/greth.fr\/?p=21022"},"modified":"2025-10-27T17:16:37","modified_gmt":"2025-10-27T16:16:37","slug":"methodes-de-conception-de-reacteurs-multifonctionnels-reacteur-echangeur-separateur-application-a-la-synthese-directe-de-dme-a-partir-de-co%e2%82%82-et-dh%e2%82%82","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/greth.fr\/en\/methodes-de-conception-de-reacteurs-multifonctionnels-reacteur-echangeur-separateur-application-a-la-synthese-directe-de-dme-a-partir-de-co%e2%82%82-et-dh%e2%82%82\/","title":{"rendered":"M\u00e9thodes de conception de r\u00e9acteurs multifonctionnels (r\u00e9acteur-\u00e9changeur-s\u00e9parateur) : application \u00e0 la synth\u00e8se directe de DME \u00e0 partir de CO\u2082 et d\u2019H\u2082"},"content":{"rendered":"Summary :<\/span><\/strong><\/p>\n

The depletion of resources and the accumulation of pollutant gases in the atmosphere are nowadays of growing concern. The current energy transition requires that certain material and energy transformation processes be partially modified or profoundly reconsidered to fit more sustainable operating conditions. Low-carbon electricity and hydrogen can substitute fossil fuels, leading to an energy mix with a low greenhouse gas (GHG) footprint. In addition to hydrogen, the production of alternative fuels and high value-added products is another way to support the energy transition.Looking for optimal, sustainable and economical processes is therefore a major challenge that process engineers are facing. The present work has thus focused on the intensification of mass and energy transformation processes, through multifunctional units, which take advantage of the synergies between elementary functions of transformation (reaction, transfer, separation, etc.) within an intensive equipment. The concept of multifunctional reactors, coupling several elementary functions, has been a real success when historical demonstrators were created (Eastman-Kodak process, etc.), but their implementation has not been generalized, due to a lack of practical design methodology.This work focuses on the implementation of some intensification methodologies to understand and improve the performance of a process involving balanced exothermic reactions. The dimethyl ether (DME) direct synthesis from CO\u2082 and H\u2082 is considered as a case study. Different exploratory ways for the DME direct synthesis process development have been investigated based on modeling and simulation. Reactor- Heat exchanger, multifunctional reactor (reactor-heat exchanger-membrane separator), hybrid elementary block processes and a process involving the cooled reactor in a conventional process environment in the presence of additional unit operations and recycle loop are studied from different angles. Different optimization cases and strategies have been addressed which differ by the decision variables and the solving method. The different methodologies applied have demonstrated the relevance of the solutions obtained and the opening towards process innovation.At the equipment level, the profiles optimization represents the heart of the methodology. The results demonstrate the potential of multifunctional reactors: a CO\u2082 conversion per pass of 98%, a DME yield of 95% and the possibility to remove a distillation column are obtained. In order to assess the maximum achievable performance in a multifunctional reactor, a hybrid process of elementary blocks has been optimized. At the process scale, the reactor behavior has been studied to further understand the impact of the reactor integration in a recycle loop and to estimate the local and global effects on the multiple performance criteria. Based on various criteria (overall DME yield, overall CO\u2082 conversion, TRL, etc.), the comparison of the different designs revealed that a reduction of the equipment number by a factor of 11 is possible in the case of a multi-functional reactor choice.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Author<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
Chakib RAFIK BEHLOUL<\/td>\n<\/tr>\n
Date of presentation<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
2022, december 14th<\/td>\n<\/tr>\n
Keywords<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
Process intensification, Multifunctional reactors, Optimization, Membrane separation, CO\u2082 valorization, Dimethyl ether<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n\n\n\n
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R\u00e9sum\u00e9 : L’\u00e9puisement des ressources et l’accumulation des gaz polluants dans l’atmosph\u00e8re suscitent aujourd’hui des inqui\u00e9tudes grandissantes. La transition \u00e9nerg\u00e9tique en cours n\u00e9cessite que certains proc\u00e9d\u00e9s de transformation de la mati\u00e8re et de l’\u00e9nergie soient partiellement modifi\u00e9s ou profond\u00e9ment repens\u00e9s pour s’adapter \u00e0 des conditions de fonctionnement plus durables. L’\u00e9lectricit\u00e9 et l’hydrog\u00e8ne bas carbone peuvent se substituer aux \u00e9nergies fossiles conduisant ainsi \u00e0 un mix \u00e9nerg\u00e9tique dont l’empreinte Gaz \u00e0 Effet de Serre (GES) est faible. Outre l’hydrog\u00e8ne, la production de carburants alternatifs et des produits \u00e0 forte valeur ajout\u00e9e est une autre piste pour accompagner la transition \u00e9nerg\u00e9tique. La recherche de proc\u00e9d\u00e9s optimaux, durables et \u00e9conomiques est donc un d\u00e9fi majeur auquel les ing\u00e9nieurs proc\u00e9d\u00e9s sont confront\u00e9s. Le pr\u00e9sent travail s’est ainsi focalis\u00e9 sur l’intensification des proc\u00e9d\u00e9s de transformation de la mati\u00e8re et de l’\u00e9nergie, au travers d’unit\u00e9s multifonctionnelles qui exploitent les synergies entre fonctions \u00e9l\u00e9mentaires de transformation (r\u00e9action, transfert, s\u00e9paration, etc.) au sein d’un \u00e9quipement intensif. La notion de r\u00e9acteurs multifonctionnels, couplant plusieurs fonctions \u00e9l\u00e9mentaires, a connu un r\u00e9el succ\u00e8s d’estime lorsque des d\u00e9monstrateurs historiques ont vu le jour (proc\u00e9d\u00e9 Eastman-Kodak, etc.), mais leur impl\u00e9mentation ne s’est pas g\u00e9n\u00e9ralis\u00e9e par manque de m\u00e9thodologie de conception pratique. Ce travail porte sur l’application de certaines m\u00e9thodologies d’intensification pour la compr\u00e9hension et l’am\u00e9lioration des performances d’un proc\u00e9d\u00e9 mettant \u0153uvre des r\u00e9actions exothermiques \u00e9quilibr\u00e9es. La synth\u00e8se directe du dim\u00e9thyl \u00e9ther (DME) \u00e0 partir de CO\u2082 et d’H\u2082 est retenue comme cas d’\u00e9tude. Diff\u00e9rentes voies exploratoires de d\u00e9veloppement du proc\u00e9d\u00e9 de synth\u00e8se directe du DME ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9es en s’appuyant sur la mod\u00e9lisation et la simulation. Le r\u00e9acteur-\u00e9changeur de chaleur, le r\u00e9acteur multifonctionnel (r\u00e9acteur-\u00e9changeur de chaleur-s\u00e9parateur membranaire), les proc\u00e9d\u00e9s hybrides de briques \u00e9l\u00e9mentaires et un proc\u00e9d\u00e9 pla\u00e7ant le r\u00e9acteur refroidi dans un environnement de proc\u00e9d\u00e9 classique en pr\u00e9sence d’autres op\u00e9rations unitaires et de recyclages, sont \u00e9tudi\u00e9es sous diff\u00e9rents angles. Diff\u00e9rents cas et strat\u00e9gies d’optimisation ont \u00e9t\u00e9 trait\u00e9s qui se distinguent par les variables de d\u00e9cision et la m\u00e9thode de r\u00e9solution. Les diff\u00e9rentes m\u00e9thodologies appliqu\u00e9es ont permis de d\u00e9montrer leur pertinence en termes de solutions obtenues et d’ouverture vers l’innovation des proc\u00e9d\u00e9s. A l’\u00e9chelle de l’\u00e9quipement, l’optimisation des profils repr\u00e9sente le c\u0153ur de la m\u00e9thodologie. Les r\u00e9sultats mettent en \u00e9vidence le potentiel des r\u00e9acteurs multifonctionnels : une conversion de CO\u2082 par passe de l’ordre de 98%, un rendement en DME de l’ordre de 95% et une possibilit\u00e9 d’\u00e9limination d’une colonne de distillation sont obtenus. Dans le but d’\u00e9valuer les caract\u00e9ristiques du maximum atteignable dans un r\u00e9acteur multifonctionnel, un proc\u00e9d\u00e9 hybride de briques \u00e9l\u00e9mentaires a \u00e9t\u00e9 optimis\u00e9. A l’\u00e9chelle du proc\u00e9d\u00e9, le comportement du r\u00e9acteur a \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9 pour comprendre l’impact de l’int\u00e9gration du r\u00e9acteur dans une boucle de recyclage et estimer les effets locaux et globaux sur les multiples crit\u00e8res de performances. 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La transition \u00e9nerg\u00e9tique en cours n\u00e9cessite que certains proc\u00e9d\u00e9s de transformation de la mati\u00e8re et de l'\u00e9nergie soient partiellement modifi\u00e9s ou profond\u00e9ment repens\u00e9s pour s'adapter \u00e0 des conditions de fonctionnement plus durables. L'\u00e9lectricit\u00e9 et l'hydrog\u00e8ne bas carbone peuvent se substituer aux \u00e9nergies fossiles conduisant ainsi \u00e0 un mix \u00e9nerg\u00e9tique dont l'empreinte Gaz \u00e0 Effet de Serre (GES) est faible. Outre l'hydrog\u00e8ne, la production de carburants alternatifs et des produits \u00e0 forte valeur ajout\u00e9e est une autre piste pour accompagner la transition \u00e9nerg\u00e9tique. La recherche de proc\u00e9d\u00e9s optimaux, durables et \u00e9conomiques est donc un d\u00e9fi majeur auquel les ing\u00e9nieurs proc\u00e9d\u00e9s sont confront\u00e9s. Le pr\u00e9sent travail s'est ainsi focalis\u00e9 sur l'intensification des proc\u00e9d\u00e9s de transformation de la mati\u00e8re et de l'\u00e9nergie, au travers d'unit\u00e9s multifonctionnelles qui exploitent les synergies entre fonctions \u00e9l\u00e9mentaires de transformation (r\u00e9action, transfert, s\u00e9paration, etc.) au sein d'un \u00e9quipement intensif. La notion de r\u00e9acteurs multifonctionnels, couplant plusieurs fonctions \u00e9l\u00e9mentaires, a connu un r\u00e9el succ\u00e8s d'estime lorsque des d\u00e9monstrateurs historiques ont vu le jour (proc\u00e9d\u00e9 Eastman-Kodak, etc.), mais leur impl\u00e9mentation ne s'est pas g\u00e9n\u00e9ralis\u00e9e par manque de m\u00e9thodologie de conception pratique. Ce travail porte sur l'application de certaines m\u00e9thodologies d'intensification pour la compr\u00e9hension et l'am\u00e9lioration des performances d'un proc\u00e9d\u00e9 mettant \u0153uvre des r\u00e9actions exothermiques \u00e9quilibr\u00e9es. La synth\u00e8se directe du dim\u00e9thyl \u00e9ther (DME) \u00e0 partir de CO\u2082 et d'H\u2082 est retenue comme cas d'\u00e9tude. Diff\u00e9rentes voies exploratoires de d\u00e9veloppement du proc\u00e9d\u00e9 de synth\u00e8se directe du DME ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9es en s'appuyant sur la mod\u00e9lisation et la simulation. Le r\u00e9acteur-\u00e9changeur de chaleur, le r\u00e9acteur multifonctionnel (r\u00e9acteur-\u00e9changeur de chaleur-s\u00e9parateur membranaire), les proc\u00e9d\u00e9s hybrides de briques \u00e9l\u00e9mentaires et un proc\u00e9d\u00e9 pla\u00e7ant le r\u00e9acteur refroidi dans un environnement de proc\u00e9d\u00e9 classique en pr\u00e9sence d'autres op\u00e9rations unitaires et de recyclages, sont \u00e9tudi\u00e9es sous diff\u00e9rents angles. Diff\u00e9rents cas et strat\u00e9gies d'optimisation ont \u00e9t\u00e9 trait\u00e9s qui se distinguent par les variables de d\u00e9cision et la m\u00e9thode de r\u00e9solution. Les diff\u00e9rentes m\u00e9thodologies appliqu\u00e9es ont permis de d\u00e9montrer leur pertinence en termes de solutions obtenues et d'ouverture vers l'innovation des proc\u00e9d\u00e9s. A l'\u00e9chelle de l'\u00e9quipement, l'optimisation des profils repr\u00e9sente le c\u0153ur de la m\u00e9thodologie. Les r\u00e9sultats mettent en \u00e9vidence le potentiel des r\u00e9acteurs multifonctionnels : une conversion de CO\u2082 par passe de l'ordre de 98%, un rendement en DME de l'ordre de 95% et une possibilit\u00e9 d'\u00e9limination d'une colonne de distillation sont obtenus. Dans le but d'\u00e9valuer les caract\u00e9ristiques du maximum atteignable dans un r\u00e9acteur multifonctionnel, un proc\u00e9d\u00e9 hybride de briques \u00e9l\u00e9mentaires a \u00e9t\u00e9 optimis\u00e9. A l'\u00e9chelle du proc\u00e9d\u00e9, le comportement du r\u00e9acteur a \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9 pour comprendre l'impact de l'int\u00e9gration du r\u00e9acteur dans une boucle de recyclage et estimer les effets locaux et globaux sur les multiples crit\u00e8res de performances. Sur la base de crit\u00e8res de rendement global en DME, de conversion globale de CO\u2082, de TRL, etc., la comparaison des diff\u00e9rents designs a montr\u00e9 qu'une r\u00e9duction du nombre d'\u00e9quipements d'un facteur 11 est possible dans le cas du choix d'un r\u00e9acteur 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