Étude cinétique de réactions de pyrolyse et de combustion d'hydrocarbures cycliques par les approches de chimie quantique

Kinetic study of pyrolysis and oxidation reactions of cyclic hydrocarbons by quantum chemistry approaches

• Auteur / Autrice : Baptiste Sirjean
• Direction : René Fournet, Pierre-Alexandre Glaude
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 04/12/2007
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de Chimie Physique des Réactions (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Ruiz Lopez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : René Fournet, Pierre-Alexandre Glaude, Manuel Ruiz Lopez, Jean-Claude Rayez, Philippe Dagaut, Florent Louis, Bernard Labegorre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Claude Rayez, Philippe Dagaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycloalcènes

Chimie quantique

Mots clés libres

Cyclanes

Pyrolyse

Combustion

Modèles cinétiques détaillés

Données thermocinétiques

Chimie quantique

Biradical

Cycloalcènes

Cycloalkyles

Cycloalkanes

Pyrolysis

Detailed chemical kinetic models

Combustion

Cycloalkenes

Cycloalkyls

Diradical

Quantum chemistry

Thermodynamic and kinetic data

Résumé

Les carburants dérivés du pétrole constituent la première source mondiale énergétique et leur approvisionnement constitue un défi actuel majeur impliquant des enjeux économiques et environnementaux cruciaux. Une des voies les plus efficaces pour peser simultanément sur ces deux enjeux passe par la diminution de la consommation en carburant. La simulation numérique constitue dès lors un outil précieux pour améliorer et optimiser les moteurs et les carburants. Les modèles chimiques détaillés sont nécessaires pour comprendre les phénomènes d’auto-inflammation et caractériser la nature et les quantités de polluants émis. Ces modèles mettent en jeu un nombre très important d’espèces et de réactions élémentaires, pour une espèce donnée et pour lesquelles la détermination des données thermodynamiques et cinétiques est un problème crucial. La chimie quantique constitue un outil précieux permettant d’une part de déterminer de façon précise les données thermocinétiques pour bon nombre de systèmes chimiques et d’autre part de mieux comprendre la réactivité de ces systèmes. Dans ce travail, les réactions unimoléculaires de décomposition d’hydrocarbures monocycliques et polycycliques (amorçages, réactions moléculaires, ß-scissions, formations d’éthers cycliques) ont été étudiées à l’aide des méthodes de la chimie quantique. Un mécanisme détaillé de pyrolyse d’un alcane polycyclique a été développé à partir des données thermodynamiques et cinétiques et des corrélations entre structure et réactivité déterminées pour les cyclanes à partir des calculs quantiques. Les simulations effectuées à partir de ce modèle sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux de la littérature

Petroleum fuels are the world’s most important primary energy source and the need to maintain their supply is a major actual challenge involving both economical and environmental features. Decreasing fuels consumption is one of the more efficient ways to reconcile the goals of energy price and environmental protection. Numerical simulations become therefore a very important tool to optimize fuels and motors. Detailed chemical kinetic models are required to reproduce the reactivity of fuels and to characterize the amount of emitted pollutants. Such models imply a very large number of chemical species and elementary reactions, for a given species, and the determination of thermodynamic and kinetic data is a critical problem. Nowadays, quantum chemistry methods are able to calculate accurately thermodynamic data for a large number of chemical systems and to elucidate the reactivity of these systems. In this work we have used quantum chemistry to study the unimolecular reactions (initiation, molecular reactions, ß-scissions, cyclic ethers formations) involved in the decomposition of monocyclic and polycyclic hydrocarbons. From the results of quantum chemical calculations, a detailed chemical kinetic mechanism of the pyrolysis of a polycyclic alkane has been developed and validated against experimental data