Application de solvants eutectiques profonds dans l'extraction de composés aromatiques du mazout : Modélisation, simulation et évaluation technico-économique du procédé

Application of Deep Eutectic Solvents in the Extraction of Aromatic Compounds from Fuel Oil: Process Modeling, Simulation, and Techno-Economic Evaluation

• Auteur / Autrice : Abdul'Alim Ibrahim
• Direction : Christophe Coquelet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 13/06/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RAPSODEE - Centre de Recherche d'Albi en Génie des Procédés, des Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Poudres et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation des processus; simulation et évaluation technico-économique

Caractérisation thermophysique

Solvant eutectique profond à base de chlorure de choline

Aspen Plus

Technologie de séparation liquide-liquide

Extraction aromatique

Process modeling; simulation and tecno-economic evaluation

Thermophysical characterization

Choline Chloride-based deep eutectic solvent

Aspen Plus

Liquid-liquid separation technology

Aromatic extraction

Résumé

Contexte et défis- La nécessité d'une séparation efficace des composés aromatiques contenus dans les charges liquides des craqueurs d'éthylène devient de plus en plus critique à mesure que le monde s'oriente vers des solutions de remplacement renouvelables en raison de l'épuisement des ressources pétrolières. Les méthodes de distillation conventionnelles, largement utilisées à cette fin, se heurtent à des difficultés considérables, notamment lorsqu'il s'agit de séparer le benzène et le toluène du mazout. Ces difficultés sont dues à la proximité des points d'ébullition de ces composés et à la formation d'azéotropes, ce qui rend le processus complexe, coûteux et énergivore. En outre, les charges des craqueurs d'éthylène contiennent généralement 10 à 25 % de composants aromatiques qui restent non convertis pendant le processus de craquage, ce qui occupe une capacité précieuse du four et sollicite la section de séparation. Pour relever ces défis, il est de plus en plus nécessaire d'explorer d'autres technologies de séparation capables d'éliminer efficacement ces composés aromatiques en amont des fours. Cela permettrait non seulement d'augmenter la capacité globale et d'améliorer l'efficacité thermique, mais aussi de réduire l'encrassement. Les procédés de séparation existants pour les hydrocarbures aromatiques et aliphatiques ne sont toutefois efficaces qu'à des concentrations aromatiques élevées ou n'ont pas la sélectivité et la capacité nécessaires pour des concentrations plus faibles. Par exemple, l'extraction liquide-liquide utilisant le sulfolane est efficace à des concentrations élevées mais nécessite des températures élevées à des concentrations plus faibles. De même, les liquides ioniques, bien que prometteurs, sont limités par leurs opérations à haute température et leurs problèmes de sécurité. En réponse à ces limitations, notre étude présente les solvants eutectiques profonds (DES) à base de chlorure de choline comme une alternative prometteuse pour la séparation des composés aromatiques du mazout. Les DES sont respectueux de l'environnement, présentent une faible volatilité et offrent une solution viable pour surmonter les inconvénients des solvants conventionnels. Malgré leur potentiel, les recherches antérieures se sont principalement concentrées sur la synthèse et la caractérisation des DES, en accordant peu d'attention à leur intégration dans des applications industrielles à grande échelle et à des évaluations économiques. Notre recherche explore l'application des DES dans l'extraction liquide-liquide pour séparer les hydrocarbures aromatiques et aliphatiques. À l'aide d'Aspen Plus, nous avons développé un cadre de conception, en nous concentrant sur deux compositions de DES : chlorure de choline:urée (1:2) et chlorure de choline:urée:glycol (1:2:1) en tant que solvants pour ce processus de séparation. En outre, nous avons examiné diverses options de recyclage des solvants et effectué des analyses de sensibilité sur les principales variables de conception afin d'optimiser le comportement des phases et les propriétés physicochimiques. Cette approche vise à maximiser le potentiel des DES dans les processus de séparation industriels, en présentant une alternative viable aux méthodes conventionnelles. L'objectif principal de cette recherche est de développer une nouvelle technologie de séparation pour récupérer et purifier sélectivement les principaux composés aromatiques - benzène, toluène, éthylbenzène et xylène (BTEX) - à partir des charges d'alimentation des craqueurs de naphta liquide. En utilisant des solvants eutectiques profonds (DES) à base de chlorure de choline, cette recherche vise à offrir une alternative plus durable et plus efficace aux méthodes de séparation traditionnelles. Les objectifs de la recherche sont les suivants 1. Identification du système aromatique-solvant : Sélectionner les DES qui interagissent efficacement avec les composés BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylène) afin d'améliorer l'efficacité de l'extraction. 2. Caractérisation thermophysique des solvants : Analyse des propriétés des DES comme la densité, la viscosité, la capacité thermique et la solubilité pour assurer une modélisation et une simulation précises du processus. 3. Intégration des données dans Aspen Plus® : Compilation des données expérimentales et calculées pour des simulations de processus réalistes dans Aspen Plus®. 4. Développement d'un modèle d'équilibre de phase : Création d'un modèle pour prédire les interactions DES-BTEX, essentielles pour la conception d'un procédé de séparation fiable. 5. Simulation préliminaire du procédé : Évaluation des performances des systèmes de solvants sélectionnés dans Aspen Plus® pour l'extraction des BTEX, identification des paramètres clés du processus et des améliorations potentielles. 6. Conception du procédé : Développement d'un cadre de conception de procédé évolutif dans Aspen Plus® pour l'application industrielle de l'extraction basée sur le DES, spécifiant le flux de procédé, l'équipement et les conditions d'exploitation. 7. Analyse technico-économique : Évaluation de la faisabilité économique, y compris les coûts, la consommation d'énergie et les avantages pour l'environnement, par rapport aux méthodes traditionnelles. Cette approche vise à établir la récupération sélective des BTEX basée sur le DES comme une alternative durable pour l'extraction des aromatiques dans les processus pétrochimiques. Méthodes Grâce à une analyse approfondie de la littérature, le candidat au doctorat développera un modèle thermodynamique pour décrire le comportement des systèmes DES-BTEX et appliquera ces modèles pour corréler les données expérimentales. Une formation parallèle à la modélisation et à la simulation des procédés permettra de mieux comprendre les interactions DES-solutés. Les données de la littérature expérimentale seront comparées et affinées par la simulation afin d'améliorer la compréhension du processus de séparation. Résultats attendus L'étude prévoit plusieurs résultats clés : 1. Un modèle théorique validé pour la performance du DES basé sur les données de la littérature expérimentale. 2. Des données d'équilibre de phase pour les interactions entre le DES et le fioul. 3. Des perspectives de transfert de technologie pour l'application industrielle. En outre, des études de vieillissement détermineront la durabilité des mélanges DES dans des conditions industrielles.

Context and challenges- The need for effective separation of aromatic compounds from liquid ethylene cracker feeds is increasingly critical as the world shifts towards renewable alternatives due to the depletion of petroleum resources. Conventional distillation methods, widely used for this purpose, face significant challenges, particularly when separating benzene and toluene from fuel oil. These challenges stem from the close boiling points of these compounds and the formation of azeotropes, leading to a process that is complex, costly, and energy-intensive. Moreover, ethylene cracker feeds typically contain 10-25% aromatic components that remain unconverted during the cracking process, occupying valuable furnace capacity and straining the separation section. To address these challenges, there is a growing need to explore alternative separation technologies that can efficiently remove these aromatic compounds upstream of the furnaces. Doing so would not only enhance overall capacity and improve thermal efficiency but also reduce fouling. Existing separation processes for aromatic and aliphatic hydrocarbons, however, are either only effective at high aromatic concentrations or lack the necessary selectivity and capacity for lower concentrations. For instance, liquid-liquid extraction using sulfolane is effective at high concentrations but requires elevated temperatures at lower concentrations. Similarly, ionic liquids, though promising, are limited by their high-temperature operations and safety concerns. In response to these limitations, our study introduces deep eutectic solvents (DESs) based on choline chloride as a promising alternative for the separation of aromatic compounds from fuel oil. DESs are environmentally friendly, exhibit low volatility, and offer a viable solution for overcoming the drawbacks of conventional solvents. Despite their potential, previous research has predominantly focused on the synthesis and characterization of DESs, with limited attention to their integration into large-scale industrial applications and economic evaluations. Our research explores the application of DESs in liquid-liquid extraction for separating both aromatic and aliphatic hydrocarbons. Utilizing Aspen Plus, we developed a conceptual design framework, focusing on two DES compositions: choline chloride:urea (1:2) and choline chloride:urea:glycol (1:2:1) as solvents for this separation process. Additionally, we examined various solvent recycling options and conducted sensitivity analyses on key design variables to optimize phase behavior and physicochemical properties. This approach aims to maximize the potential of DESs in industrial separation processes, presenting a viable alternative to conventional methods. The primary objective of this research is to develop a novel separation technology for selectively recovering and purifying key aromatic compounds—benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene (BTEX)—from liquid naphtha cracker feedstocks. By employing Choline chloride-based deep eutectic solvents (DES), this research aims to offer a more sustainable and efficient alternative to traditional separation methods. The research objectives include: 1. Aromatic-Solvent System Identification: Selecting DESs that effectively interact with BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) compounds to enhance extraction efficiency. 2. Thermophysical Characterization of Solvents: Analyzing DES properties like density, viscosity, heat capacity, and solubility to ensure accurate process modeling and simulation. 3. Data Integration in Aspen Plus®: Compiling experimental and calculated data for realistic process simulations in Aspen Plus®. 4. Phase Equilibrium Model Development: Creating a model to predict DES-BTEX interactions, essential for reliable separation process design. 5. Preliminary Process Simulation: Assessing the performance of selected solvent systems in Aspen Plus® for BTEX extraction, identifying key process parameters and potential improvements. 6. Conceptual Process Design: Developing a scalable process design framework in Aspen Plus® for industrial application of DES-based extraction, specifying process flow, equipment, and operating conditions. 7. Techno-Economic Analysis: Evaluating the economic feasibility, including costs, energy consumption, and environmental benefits, compared to traditional methods. This approach aims to establish DES-based selective BTEX recovery as a sustainable alternative for aromatic extraction in petrochemical processes. Methods Through extensive literature review, the PhD candidate will develop a thermodynamic model to describe the behavior of DES-BTEX systems and apply these models to correlate experimental data. Parallel training in process modeling and simulation will enable insights into the DES-solute interactions. Experimental literature data will be compared and refined through simulation to enhance understanding of the separation process. Expected Outcomes The study anticipates several key results: 1. A validated theoretical model for DES performance based on experimental literature data. 2. Phase equilibrium data for DES and fuel oil interactions. 3. Technology transfer insights for industrial application. Additionally, aging studies will determine the durability of DES mixtures under industrial conditions.