Optimisation de la transition de grade dans la polymérisation de polyéthylène dans un réacteur à lit fluidisé

Optimization of grade transition in polyethylene polymerization in a fluidized bed reactor

• Auteur / Autrice : Sabrine Kardous
• Direction : Nida Sheibat-Othman, Timothy McKenna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 31/03/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique, de Génie des Procédés et de génie Pharmaceutique (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Fongarland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nida Sheibat-Othman, Timothy McKenna, Abderrazak Latifi, Brahim Benyahia, Pierrette Guichardon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abderrazak Latifi, Brahim Benyahia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Fusion

Procédés de fabrication

Polyéthylène

Génie chimique -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Transition de grade

Réacteur à lit fluidisé

Refroidissement en mode condensé

Thermodynamique

Polyéthylène

Température de fusion du polymère

Optimisation dynamique

Grade transition

Fluidized bed reactor

Condensed mode cooling

Thermodynamics

Polymer melting temperature

Dynamic optimization

Résumé

La variété des applications de polyéthylène (PE) nécessite des spécifications de grades différentes pour répondre à la demande du marché. La plupart des procédés utilisés pour fabriquer du polyéthylène linéaire à basse densité (LLDPE) sont les procédés en phase gaz. Ces procédés sont propres et moins consommateurs d’énergie, mais ils sont limités dans leur productivité par la nature exothermique de la réaction. Afin de surmonter ce problème, le « refroidissement en mode condensé » est fréquemment utilisé, où des composés de type alcane (ICA), sont injectés afin d’absorber une partie de la chaleur générée par la réaction. Cependant, il a été observé que la présence d’ICA influence l’absorption du monomère dans le polymère et par conséquent la vitesse de la réaction et les propriétés du polymère. Dans ce travail, deux objectifs sont visés : a) développer une procédure d’optimisation dynamique hors ligne pour optimiser la transition entre les différents grades de LLDPE dans un réacteur à lit fluidisé. Comme ce type de réacteur fonctionne fréquemment en présence d’ICA, il est important de considérer l’effet de l’ICA dans le modèle. Ainsi, un modèle cinétique est combiné à un modèle thermodynamique pour décrire les transitions de grade. Les résultats mettent en évidence l’importance du modèle thermodynamique dans la transition de grade. b) employer ce modèle pour prédire la température de début de fusion des particules de polyéthylène. De cette manière, le modèle prend en compte les effets de la densité du polymère et du gonflement des particules par les différents pénétrants sur la température de fusion. Ce modèle est ensuite utilisé dans une stratégie d’optimisation pour contrôler la transition entre les différents grades de polymère tout en évitant le début de fusion de polymère.

The variety of PE applications requires different grade specifications to suit the market demand. Most processes used to make linear low density polyethylene (LLDPE) are gas phase processes. These processes are clean (solvent-free) and less energy consuming, but they are limited in their productivity by the high exothermicity of the reaction. In order to overcome this issue, “condensed mode cooling” is frequently employed, where induced condensing agents (ICAs) are injected in order to absorb part of the reaction heat. However, it was observed that the presence of ICA influences the absorption of monomer into the polymer and consequently the reaction rate and the polymer properties. This work has two objectives: a) to develop an off-line dynamic optimization procedure in order to optimize the transition between different grades of LLDPE in a fluidized bed reactor. As this reactor is frequently operated under condensed mode, it is important to account for the ICA effect in the process model. Hence, a kinetic model is combined with a thermodynamic model to describe the grade transitions. The results highlight the importance of the thermodynamic model during grade transition. b) to use the developed model in predicting the melting onset temperature of polyethylene particles in a fluidized bed reactor. By this way, the model accounts for the effects of the polymer density and particle swelling by the different penetrants on the melting temperature. This model is then used within an optimization strategy to control the transition between different polymer grades while avoiding polymer melting.