Modélisation de l'élimination des composés organiques volatils à partir d'une poudre de polymères

Details

Supervisors

Mignon, Denis

Faculty

Ecole polytechnique de Louvain

Degree label

Master [120] : ingénieur civil en chimie et science des matériaux, à finalité spécialisée

Abstract

Ce travail explore la modélisation et l'optimisation du processus de dégazage industriel d’hydrocarbures dans une poudre de polyéthylène haute densité (HDPE). L'étude se concentre sur la réduction de la teneur résiduelle en 1-hexène, un co-monomère crucial dans la synthèse du HDPE, en utilisant une colonne de purge (dégazage). L’objectif est de créer un modèle qui simule la colonne afin d'identifier les paramètres cruciaux pour l’optimisation du dégazage. Dans le cadre de cette étude, le dégazage, également appelé "purge" ou "dévolatilisation", se définit comme une opération de purification par laquelle des hydrocarbures résiduels solubilisés dans les granules de plastique sont extraits à contre- courant par un gaz inerte de balayage, en l'occurrence de l'azote. Les aspects thermodynamiques ont montré qu'il est possible de se concentrer sur les conditions suffisantes pour dégazer le 1-hexène, tout en restant conservatif par rapport aux autres composés à dégazer. Une étude cinétique a ensuite révélé que la diffusion interne dans la masse des grains de polyéthylène est l'étape limitante du dégazage de l’1-hexène, malgré l'existence de micropores et de films visqueux associés aux granules plastiques. Le dégazage peut être décrit par un simple processus de diffusion dans la matrice de polymère, les autres mécanismes étant supposés infiniment rapides. Les données de laboratoire ont démontré qu'il est possible de considérer un rayon de diffusion réduit par rapport au rayon physique d'un grain de fluff car la présence de macropores dans les particules réduit la distance de diffusion. En outre, en se basant sur le modèle d'une particule unique sans limitations thermodynamiques, il a été montré que ce rayon de diffusion est le paramètre crucial dans le processus de dégazage d’une particule unique de polyéthylène. Les résultats soulignent que, bien que l'augmentation de la température et du temps de séjour améliore le dégazage, la réduction de la taille des particules constitue l'approche la plus efficace pour optimiser ce processus. Le modèle de la colonne de dégazage a été développé en segmentant la colonne en tranches égales pour analyser avec précision les variations locales des profils de concentration radiale à l'intérieur des particules. Ce modèle hétérogène prend en compte la diffusion interne des hydrocarbures à travers les particules de polymère ainsi que l’évolution des concentrations moyennes du gaz et des particules le long de la colonne. Les équations de transfert de masse, y compris les équations de stripping appliquées à la phase amorphe du polymère, permettent de simuler les conditions réelles de fonctionnement de la colonne, fournissant des prédictions précises sur les concentrations d'hydrocarbures. Finalement, sur la base du modèle, il a été montré que les paramètres ayant le plus d’impact sur le dégazage varient d’une colonne à l’autre en fonction des limitations de fonctionnement spécifiques. Si la colonne est principalement limitée par la cinétique, les paramètres permettant d’augmenter le temps de séjour et de réduire la distance de diffusion seront les plus efficaces pour améliorer le dégazage. Dans le cas où la thermodynamique est limitante, il sera préférable d’augmenter le débit d’azote ou de diminuer la pression. La température, quant à elle, améliore à la fois la cinétique et la thermodynamique.