Mechanistic and kinetic study in direct coal liquefaction: effect of the hydrogen donor solvent and the operating conditions
Description
This work deals with the understanding and the modeling of coal hydro-liquefaction mechanisms, more precisely the impact of operating conditions and H-donor solvent -hydrogen gas phase-catalyst interactions. Experimental tests are performed in a batch reactor by using Illinois No.6 coal, tetralin and NiMo/Al2O3 catalyst. An original separation procedure is developed, combining micro-distillation and solvent extraction. Complete mass balances allow the determination of conversion, product yields and product quality. Operating conditions studied are temperature (380 deg. C-420 deg. C), hydrogen pressure (16-22 MPa) and NiMo/Al2O3 presence. Temperatures mainly impacts the first stage of liquefaction (also called dissolution), hydrogen pressure and catalyst the products quality. Then, tests performed with other solvents (n-undecane or diethylbenzene) and/or under N2 pressure have shown the crucial impact of solvent on the first stage of liquefaction, and the high impact of gas phase o products quality. These experimental results allow the establishment of kinetic model. In a first step, maceral are transformed into coke, pre-asphaltenes and hydrotreatment products. Coke formation only depends on temperature. However, pre-asphaltenes and hydrotreatment products formation highly depends on solvent. Other products (asphaltenes, vacuum distillate, middle distillate, light distillate and gas) are produced from pre-asphaltenes
Abstract (French)
L'objectif de la these est de comprendre et de modeliser les principaux phenomenes chimiques qui gouvernent les performances du premier reacteur, et en particulier le role du solvant donneur d'hydrogene, ainsi que les interactions entre charbon, solvant, hydrogene gazeux et catalyseur. L'impact des conditions operatoires telles que la temperature, la pression d'hydrogene, le temps de sejour ainsi que l'impact de la qualite de la charge (type de charbon et teneur en cendres) et du type de solvant ont egalement ete evalues. Ce travail s'articule autour d'une partie experimentale realisee en autoclave et d'une partie modelisation basee sur un schema reactionnel simplifie et sur un regroupement par familles chimiques. Dans un premier temps, la partie experimentale a consiste a mettre au point une strategie adaptee a l'etude. L'outil utilise est un reacteur batch de type autoclave fonctionnant jusqu'a 25 MPa et 450 deg. C qui sont des conditions operatoires classiques en hydroliquefaction du charbon. La charge de reference utilisee est un charbon Illinois no. 6, bien connu dans la litterature. Le solvant utilise est le 1,2,3,4-tetrahydronaphtalene (tetraline) qui est une molecule naphteno-aromatique potentiellement donneuse d'hydrogene et qui a ete couramment utilisee au laboratoire pour ce type d'etude. Enfin, un seul catalyseur sulfure NiMo/Al2O3 a ete teste, l'objectif de cette etude ne portant pas sur ce parametre. Un protocole specifique de post-traitement a ete optimise pour separer les differentes fractions de liquefiats produits, avant leur caracterisation. La demarche originale mise en place dans ce travail a consiste a fractionner les liquefiats par microdistillation a bande tournante (50 plateaux theoriques) puis a fractionner la coupe residu sous vide via des extractions par solvants. La microdistillation a ainsi permis de separer les liquides en quatre coupes: Pi-230 deg. C, 230-350 deg. C,350-450 deg. C et 450 deg. C+, avec une bonne performance de separation, isolant notamment la quasi-totalite du solvant dans la fraction legere, performance difficile a atteindre sur des outils plus classiques. Chacune de ces coupes a ete analysee en distillation simulee par chromatographie gazeuse et par analyses elementaires CHONS. Le residu sous vide (450 deg. C+) a ensuite ete fractionne en huiles lourdes, asphaltenes et preasphaltenes, par solubilite dans l'heptane et le toluene respectivement. Ce protocole a ete applique a chacun des 66 essais de liquefaction realises dans l'autoclave, ce qui a permis d'effectuer des bilans matieres complets et d'evaluer l'impact des conditions operatoires, des interactions solvant-phase gaz-catalyseur et des differentes charges. Pour chaque bilan, le taux deconversion, les structures de rendements et les performances en hydrotraitement ont ete determines ainsi que la repartition entre la phase gaz et le solvant dans l'hydrogenation du charbon
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Additional titles
- Original title (French)
- Etude cinetique et mecanistique en liquefaction directe du charbon. Impact des conditions operatoires et du solvant donneur d'hydrogene
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 323 p.
- Report number
- FRNC-TH--10715
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51025468
- Subject category
- S01: COAL, LIGNITE, AND PEAT; S37: INORGANIC, ORGANIC, PHYSICAL AND ANALYTICAL CHEMISTRY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CATALYSTS; CHEMICAL REACTION KINETICS; CHEMICAL REACTION YIELD; COAL LIQUEFACTION; DISSOLUTION; DISTILLATION; FRACTIONATION; HYDROGEN; HYDROGENATION; PRESSURE DEPENDENCE; SOLVENTS; TEMPERATURE DEPENDENCE
- Descriptors DEC
- CHEMICAL REACTIONS; ELEMENTS; KINETICS; LIQUEFACTION; NONMETALS; REACTION KINETICS; SEPARATION PROCESSES; THERMOCHEMICAL PROCESSES; YIELDS
Optional Information
- Notes
- 189 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses