Application de solvants eutectiques profonds dans l'extraction de composés aromatiques du fioul: 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 ; Soutenance le 10/11/2025
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• 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
• Jury : Président / Présidente : Sophie Fourmentin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Coquelet, Fabienne Espitalier, Antonin Chapoy, Patrice Paricaud, Marc M Tshibangu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonin Chapoy, Patrice Paricaud

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

Les industries chimiques et pétrochimiques sont soumises à une pression croissante pour mettre en œuvre des procédés de séparation durables et économes en énergie qui réduisent l'impact environnemental tout en restant économiquement viables. La séparation aromatique-aliphatique, en particulier la récupération du benzène, du toluène, de l'éthylbenzène et des xylènes (BTEX) à partir d'hydrocarbures aliphatiques C4-C10, est particulièrement difficile en raison des points d'ébullition proches et du comportement azéotropique, notamment dans les flux à faible teneur en aromatiques (<20 % en poids). Les technologies conventionnelles, telles que la distillation extractive à base de sulfolane, sont très gourmandes en énergie et peu intéressantes sur le plan économique pour ces flux, ce qui souligne la nécessité de trouver des alternatives plus écologiques et plus efficaces. Cette thèse étudie les solvants eutectiques profonds (DES) à base de chlorure de choline, notamment les systèmes binaires (ChCl:urée, 1:2) et ternaires (ChCl:urée:éthylène glycol, 1:2:1), en tant que solvants durables pour l'extraction liquide-liquide des composés aromatiques du fioul. Une méthodologie multidisciplinaire combinant des données issues de la littérature, la modélisation thermodynamique, la simulation de processus et l'évaluation technico-économique a été adoptée. En l'absence de données expérimentales exhaustives, l'équilibre de phase et le comportement de solubilité ont été prédits à l'aide des modèles Hansen solubility parameter (HSP) et COSMO-SAC, appuyés par des méthodes de contribution de groupe et des calculs de chimie quantique. Le modèle NRTL (Non-Random Two-Liquid) a permis la régression des données et la conception du processus, permettant la mise en œuvre de composants DES définis par l'utilisateur dans Simulis® Thermodynamics et Aspen Plus®. La validation du modèle par rapport aux données disponibles dans la littérature a démontré des coefficients de distribution et des sélectivités élevés pour les composés aromatiques. Il convient de noter que le système m-xylène/n-octane a présenté des sélectivités de 33,45 pour le ChCl:urée et de 22,49 pour le ChCl:urée:EG à 298,15 K, surpassant les solvants industriels conventionnels. Le processus basé sur les DES a permis d'obtenir des taux de récupération et des puretés aromatiques et aliphatiques supérieurs à 98 %. Par rapport au sulfolane et aux liquides ioniques, les DES offrent une efficacité d'extraction améliorée, des pertes de solvant réduites et un impact environnemental moindre en raison de leur faible toxicité, de leur biodégradabilité et de leur volatilité négligeable. Les DES ternaires améliorent encore la facilité d'utilisation du procédé grâce à leur viscosité et leur point de fusion plus bas. L'analyse technico-économique confirme des réductions significatives de la demande énergétique et des coûts d'exploitation, positionnant l'extraction à base de DES comme une alternative prometteuse et durable pour la séparation industrielle des composés aromatiques.

The chemical and petrochemical industries face growing pressure to implement sustainable and energy-efficient separation processes that reduce environmental impact while remaining economically viable. Aromatic-aliphatic separation, particularly the recovery of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes (BTEX) from C4-C10 aliphatic hydrocarbons, is especially challenging due to close boiling points and azeotropic behavior, notably in low-aromatic streams (<20 wt%). Conventional technologies, such as sulfolane-based extractive distillation, are highly energy-intensive and economically unattractive for such feeds, highlighting the need for greener and more efficient alternatives. This thesis investigates choline chloride-based deep eutectic solvents (DESs), including binary (ChCl:Urea, 1:2) and ternary (ChCl:Urea:Ethylene Glycol, 1:2:1) systems, as sustainable solvents for the liquid-liquid extraction of aromatics from fuel oil. A multidisciplinary methodology combining literature data, thermodynamic modeling, process simulation, and techno-economic evaluation was adopted. In the absence of extensive experimental data, phase equilibrium and solubility behavior were predicted using the Hansen solubility parameter (HSP) and COSMO-SAC models, supported by group contribution methods and quantum chemistry calculations. The Non-Random Two-Liquid (NRTL) model enabled data regression and process design, allowing the implementation of user-defined DES components in Simulis® Thermodynamics and Aspen Plus®. Model validation against available literature data demonstrated high aromatic distribution coefficients and selectivities. Notably, the m-xylene/n-octane system exhibited selectivities of 33.45 for ChCl:Urea and 22.49 for ChCl:Urea:EG at 298.15 K, outperforming conventional industrial solvents. The DES-based process achieved aromatic and aliphatic recoveries and purities exceeding 98%. Compared to sulfolane and ionic liquids, DESs offer enhanced extraction efficiency, reduced solvent losses, and lower environmental impact due to their low toxicity, biodegradability, and negligible volatility. Ternary DESs further improve process operability owing to lower viscosity and melting point. Techno-economic analysis confirms significant reductions in energy demand and operating costs, positioning DES-based extraction as a promising and sustainable alternative for industrial aromatic separation.