IRP OLECAT : Catalyseurs pour la production d’oléfines

IRP OLECAT : Catalyseurs pour la production d’oléfines entre UMR7285  Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers ( Florence Epron ) et Instituto de Investigaciones en Catalisis y Petroquimica ( Conicet-UNL Carlos Pieck)

Description scientifique

La collaboration entre l’UMR7285- IC2MP et l’INCAPE a été historiquement basée sur le développement de catalyseurs plurimétalliques supportés pour la production de carburants propres à partir de différentes coupes pétrolières (naphta, gazole …). Au-delà de l’amenuisement des ressources pétrolières, la prise en compte grandissante de l’urgence climatique liée aux émissions excessives de gaz à effet de serre nécessite de trouver des alternatives au pétrole. Dans ce contexte, le gaz naturel, dont les ressources abondantes dans le monde sont évaluées à plus de deux siècles de consommation, constitue un atout majeur pour assurer la transition énergétique vers les ressources renouvelables au travers du biogaz issu de la biomasse.

Cette transition vers le gaz naturel, déjà d’actualité en Amérique du Nord et en Europe, ainsi que vers le biogaz, entraine des changements majeurs dans l’industrie pétrochimique, comme par exemple la diminution de la production de propylène, 2ème produit de base de la pétrochimie.

Dans ce contexte, le projet OLECAT propose de mettre en commun les compétences des chercheurs français de l’IC2MP à Poitiers et les chercheurs argentins de l’INCAPE à Santa Fe pour développer un procédé éco-efficient de production d’oléfines. Le projet débutera par la production de propylène et d’hydrogène par déshydrogénation du propane puis se poursuivra par l’étude d’autres alcanes. Le laboratoire français aura pour objectif de développer des catalyseurs performants (actifs, sélectifs et stables) pour ce type de réaction, avec des teneurs limitées voire nulles en métaux nobles, qui seront testés et caractérisés à Poitiers dans les conditions des procédés existants, réalisés à haute température (>650°C) et par conséquent gourmands en énergie. De son côté, le partenaire argentin, plus spécialisé en génie chimique, étudiera le procédé de production d’oléfines en présence des systèmes catalytiques développés à Poitiers mais en ajoutant de l’oxygène ou du dioxyde de carbone dans le flux réactionnel pour diminuer le cout énergétique du procédé grâce à l’oxydation sélective d’une partie du dihydrogène produit (réaction exothermique). La présence d’un oxydant améliorera en outre la stabilité du catalyseur. Le challenge sera alors, en jouant sur la formulation catalytique et les conditions opératoires, de maintenir de bonnes sélectivités en oléfine dans ces conditions exigeantes, consistant à éviter que l’alcane et l’oléfine soient également oxydés, tout en assurant un apport d’oxydant suffisant pour alimenter le procéder en énergie. Cette action conjointe s’inscrit dans le domaine très compétitif au niveau international de la valorisation du gaz naturel et du biogaz en produit d’intérêt pour l’industrie chimique. Elle devrait permettre de développer des systèmes catalytiques performants et versatiles, pour la déshydrogénation des alcanes en oléfines, en présence ou non d’oxygène. Les retombées du projet devraient être importantes principalement en termes de publications et pourraient aboutir sur des collaborations industrielles.

Complémentarité des équipes :

Le laboratoire INCAPE (Institut de recherche en catalyse et pétrochimie) est l’équivalent d’une UMR en France : c’est une unité mixte de recherche entre le CONICET et la faculté d’ingénierie chimique de l’Université Nationale du Littoral. Comme le laboratoire français, IC2MP, il dispose de toutes les techniques nécessaires pour l’étude des catalyseurs (DRX, MET, spectroscopies de photoélectrons X, Fluorescence X, ICP-AES, spectroscopies infrarouge en transmission, DRIFT et ATR, analyse en températures programmée etc.) et l’étude des réactions catalytiques (réacteurs continus en phase gazeuse, réacteurs batch ou semi-batch en phase gazeuse, suivi par chromatographies ou par spectrométries de masse) de l’échelle du laboratoire jusqu’à l’échelle pilote.
Les équipes françaises et argentines sont très proches en compétences mais malgré tout très complémentaires par le fait que l’équipe argentine est plus tournée vers le procédé, le génie chimique et l’étude des réactions dans des conditions proches des conditions industrielles alors que l’équipe française est spécialisée dans le design de catalyseurs plurimétalliques supportés et leur évaluation dans des réactions modèles.
Cette approche de génie chimique du partenaire argentin est primordiale à la réussite du projet. Le partenaire français synthétisera les catalyseurs puis sélectionnera les systèmes les plus prometteurs sur la base de leur performance en déshydrogénation du propane en milieu dilué en absence d’oxydant à haute température. De son côté, le partenaire argentin déterminera dans un premier temps les conditions réactionnelles optimales notamment d’un point de vue thermodynamique pour étudier la déshydrogénation du propane en milieu oxydant (dioxygène ou dioxyde de carbone) de façon à diminuer le coût énergétique de la réaction. Dans un second temps il mettra au point le montage réactionnel puis testera les catalyseurs sélectionnés à l’IC2MP dans des conditions proches des conditions industrielles. En fonction des résultats il fera évoluer la formulation du catalyseur de façon à l’adapter à la réaction en présence d’oxydant.

Rappel du contexte de la coopération et des relations existantes :

La collaboration entre le laboratoire INCAPE de Santa-Fe et le laboratoire de POITIERS (LACCO devenu depuis IC2MP) a été initiée il y a une quarantaine d’année. Elle a débuté par l’accueil d’étudiants argentins qui ont soutenu leur thèse en France à l’Université de Poitiers entre 1981 et 1994 et un projet PICS France (CNRS)-Argentine (CONICET) de 1989 à 1993. Le coordonnateur argentin, Carlos Pieck, et la coordinatrice française, Florence Epron, ont débuté leur collaboration en 2004. Ils ont bénéficié de 2 programmes d’échange ECOS-Sud de 3 ans, débutés en 2004 et en 2013, de l’accueil d’une chercheuse argentine en Post-doc (financement programme Bernardo Houssay, programme conjoint entre le CONICET et le Ministère de la Science, de la Technologie et de l’Innovation productive de la République Argentine (MINCyT), et les Ministères français chargés de l’Enseignement supérieur et de la Recherche et des Affaires étrangères et européennes), et de l’accueil de 2 mois de Carlos Pieck comme Professeur invité par l’Université de Poitiers. Carlos Pieck et Florence Epron ont co-signé 19 publications de rang A depuis 2006, soit 1 à 2 par an, réparties de façon régulière sur la période 2006-2020.
Avantages attendus de la collaboration pour le laboratoire français :
Le laboratoire français ne pourrait pas mener de front seul ce projet. Il a besoin des compétences en génie chimique du partenaire argentin nécessaire au développement du réacteur et du montage et à la réalisation des expériences de déshydrogénation oxydante. De plus, en tant que membre du réseau Coimbra, l’Université de Poitiers est la seule université française à offrir des bourses (bourse de séjour et frais de voyage) pour des jeunes chercheurs ou enseignants chercheurs (moins de 40 ans) issus d’un pays d’Amérique latine pour des séjours d’un mois dans un de ses laboratoires de recherche. Les chercheurs argentins impliqués dans le projet OLECAT et pouvant prétendre à ce type de bourse se porteront candidats ce qui leur permettra de prolonger la durée de leur séjour en France pour réaliser des expériences dans le cadre de l’IRP. Enfin, la participation à cet IRP pourrait être un atout important pour les partenaires français et argentins pour demander le financement d’une thèse en co-tutelle.

Perspectives industrielles ou attendues du projet :
La découverte de nouvelles formulations catalytiques performantes pour la réaction de déshydrogénation des alcanes soit en présence, soit en absence d’oxydant, ou encore dans les deux conditions pourrait nous permettre d’envisager un dépôt de brevet et une collaboration avec IFP Energies Nouvelles (IFPEN) ou avec TOTAL, entreprises avec lesquelles nous entretenons des liens étroits dans l’unité.

Avantages attendus de la collaboration pour le laboratoire français :

Le laboratoire français ne pourrait pas mener de front seul ce projet. Il a besoin des compétences en génie chimique du partenaire argentin nécessaire au développement du réacteur et du montage et à la réalisation des expériences de déshydrogénation oxydante. De plus, en tant que membre du réseau Coimbra, l’Université de Poitiers est la seule université française à offrir des bourses (bourse de séjour et frais de voyage) pour des jeunes chercheurs ou enseignants chercheurs (moins de 40 ans) issus d’un pays d’Amérique latine pour des séjours d’un mois dans un de ses laboratoires de recherche. Les chercheurs argentins impliqués dans le projet OLECAT et pouvant prétendre à ce type de bourse se porteront candidats ce qui leur permettra de prolonger la durée de leur séjour en France pour réaliser des expériences dans le cadre de l’IRP. Enfin, la participation à cet IRP pourrait être un atout important pour les partenaires français et argentins pour demander le financement d’une thèse en co-tutelle.

Apports dans le projet du laboratoire français :

Le laboratoire français apportera dans le projet son savoir-faire en design de catalyseurs multifonctionnels et plurimétalliques, dans leur caractérisation et dans leur évaluation en réaction de déshydrogénation non oxydante. Le laboratoire français utilisera toutes les techniques de caractérisation des catalyseurs disponibles dans son laboratoire qui seront nécessaires au projet ainsi que les équipements spécifiques au projet :
– Montage de déshydrogénation déjà opérationnel équipé d’une chromatographie en phase gazeuse (CPG).
– Montage avec CPG pour la réaction modèle d’isomérisation (caractérisation de l’acidité

    Participants

    • Florence Epron , Coordinator France
    • Carlos Pieck, Coordinator Argentina