Dynamic Modelling of a Fixed Bed Reactor to Study the First Instants of Gas Phase Ethylene Polymerisation

par Barbara Hazard Browning

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Timothy McKenna.

Soutenue le 09-07-2013

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques (CPE) (laboratoire) .

Le président du jury était Mélaz Tayakout.

Le jury était composé de Isabelle Pitault, Jean-François Joly.

Les rapporteurs étaient Abderrazak Latifi, David Edouard.

  • Titre traduit

    Modélisation en dynamique d'un réacteur à lit fixe pour étudier les premiers instants de la polymérisation de l'éthylène en phase gaz


  • Résumé

    La polymérisation des oléfines à l'aide de catalyseurs metallocène est une réaction développée au niveau industriel. Bien que les premiers instants de la réaction aient une importance déterminante pour le procédé, ils n'ont fait l'objet que de très peu de travaux de recherche. Dernièrement, le l'équipe du prof. Mc Kenna a conçu un réacteur de type lit fixe pour étudier en détail ces premiers instants de la réaction. Néanmoins, face à la complexité de la réaction étudiée, un travail de modélisation s'avérait nécessaire afin de mieux appréhender l'ensemble des phénomènes influant sur les résultats et ainsi proposer des améliorations à ce montage expérimental. C'est ce travail qui est présenté dans ce manuscrit. Le premier modèle considère le réacteur comme un calorimètre semi-ouvert sur la matière en entrée, et utilise des lois cinétiques simplifiées. Il a ainsi était démontré que l'augmentation de la température dans le réacteur était un paramètre particulièrement important. Le design a ainsi été modifié en conséquence afin de contrôler l'exothermie de la réaction. Dans un second temps, une étude fine sur les mesures de pression récupérées dans le réacteur a été réalisée mettant en avant que le régime transitoire de montée en pression avait un rôle clef sur cette réaction. L'intégration de ces données a permis d'améliorer le modèle utilisé. Contrairement aux résultats obtenus sur des temps de réaction longs, il a été démontré que la désactivation était plus rapide à basse température lors des premiers instants de la réaction


  • Résumé

    The behaviour of silica supported metallocene catalyst in the early moments of olefin polymerization is not well understood. The complexity, rapidity and high exothermicity of the reaction impede observation of the kinetics and morphological changes. The fixed bed reactor constructed by McKenna’s group is designed to study these first instants of gas phase olefin polymerisation. The purpose of the modelling work presented is to gain understanding and improve the set-up through better knowledge of the reactor conditions. After a literature survey, the existing set-up was reviewed and analysed. A reactor model was constructed and programmed with polymerisation kinetics represented by a simple relation. The model was validated for individual experiments under optimised conditions. Use of the reactor as a calorimeter was evaluated and a state observer for the polymerisation rate was tested. The model was also used to show that very high temperatures are possible in the reactor bed and to simulate effects of changes to reactor construction and operating conditions. The reactor pressurisation profile is non negligible for experiments of shorter duration. New kinetics based on this were incorporated into the model: these were able to represent series of experiments and take account of the deactivation reaction. Contrary to results from longer duration experiments, our model finds initial deactivation does not appear to be controlled by temperature


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