Plan de cours - CHM-22947a et CHM-621129b

Plan de cours

Éléments de catalyse industrielle

DÉPARTEMENT DE CHIMIE
FACULTÉ DES SCIENCES ET GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL

Numéro et titre du cours:
a

Éléments de Catalyse industrielle
CHM-7048

Crédit:

Session:

Hiver 2010

Formule pédagogique :

Enseignement magistral

Temps consacré:

4-0-0-5

Horaire:

A déterminer

Responsable:
e
e
e

Freddy Kleitz
Courriel : freddy.kleitz@chm.ulaval.ca
Bureau : 2240-F pavillon Vachon
Tél. 418-656-7812

Place du cours dans le programme:

Cours à options

Objectifs et contenu :

Ce cours vise à introduire les bases et les notions importantes de la catalyse industrielle. Les enjeux industriels, économiques et environnementaux de la catalyse et les défis modernes sont abordés. Les concepts fondamentaux sont discutés, c'est-à-dire les notions d’activité catalytique et de sélectivité, les types de réactions et procédés, les mécanismes, les contraintes techniques et difficultés (diffusion, désactivation, etc.), les différents types de réacteurs, etc. Une partie du cours porte également sur la synthèse des différents catalyseurs hétérogènes industriels, leurs mises en forme, leur exploitation, et la manière de tester leurs propriétés catalytiques. Les procédés catalytiques industriels les plus importants seront discutés, notamment ceux liés au pétrole et la pétrochimie, au reformage catalytique, à la catalyse environnementale, et à l'économie de l'hydrogène et des petites molécules d'importance (méthane, méthanol, ammoniac, oléfines, etc.).

Le cours sera divisé en deux parties. La première consiste en une série de 7-8 cours magistraux d’une période de 3 heures chacune (sur 7-8 semaines), suivie d’une présentation d’exposés sur des sujets reliés au cours.

1. Concepts d’importance en catalyse

Vue d’ensemble
Description et définitions – Qu’est-ce qu’on catalyseur?
Catalyse hétérogène versus catalyse homogène
Importance de la catalyse dans l’industrie et enjeu modernes
Principaux types de réaction catalytique
Nature des catalyseurs solides et réactivité (adsorption, mécanismes et étapes de la réaction catalytique hétérogène)

2. Synthèse des catalyseurs

Concepts généraux
Catalyseurs non supportés dits « bulk »
Catalyseurs supportés (supports et méthodes de synthèse)
Oxydes et catalyseurs métalliques
Catalyseurs acide-base (incl. oxydes, zéolithes, argiles, résines, etc.)

3. Aspects technique des procédés de catalyse

Forme des catalyseurs industriels
Évaluation des catalyseurs (mesure de l’activité, phénomène de transport)
Types de réacteurs
Problèmes (diffusion, désactivation)

4. Production et utilisation du gaz de synthèse

Reformage catalytique et réaction de shift
Synthèse du méthanol et procédé Fisher-Tropsch (essences de synthèse)
Économie de l’hydrogène

5. Introduction au raffinage du pétrole et pétrochimie (Optionnel)

6. Éléments catalyse environnementale (Optionnel)

Horaire et évaluation :

Cours magistraux:
s
s

Jeudi de 13h30 à 16h20 (Local à déterminer)

Début des cours : Jeudi 11 février 2010

Examen sur les cours magistraux:

Début avril 2010 (local à déterminer) (60% de la session)

Semaine du 26/04/10 (à confirmer):
s
s

Présentation orale de 30-35 minutes sur le sujet choisi (40% de la session) pour le travail de session et d’un résumé (remis au plus tard deux jours avant la présentation) contenant les points importants de la présentation et les références choisies. Les présentations peuvent se faire en français ou en anglais, au choix de l’étudiant.

Attribution des notes :

Selon les régles universitaires

Travail de session :

Pour la présentation, les points suivants seront évalués :

Introduction et présentation de la problématique du point de vue industriel ou autre. 15%
Présentation des procédés chimiques impliqués dans les transformations. 30%
Présentation des procédures industrielles permettant la transformation. 15%
Présentation des défis et problèmes qui peuvent être encourus lors de la production. 15%
Conclusion et perspective sur le(s) procédé(s) étudié(s). 10%
Qualité de la présentation (orale et graphique). 15%

Listes des sujets qui peuvent être choisis (une personne par sujet):

Raffinage du pétrole et pétrochimie 1: Brut pétrolier et hydro-traitements

Raffinage du pétrole et pétrochimie 1 Production d’essence (craquages, reformage, catalyse bifonctionnelle, isomérisation-alkylation, etc.)

Catalyse et pollution automobile : Principes de la purification des gaz d’échappement automobiles (Three-Way Catalyst)

Abattement de la pollution atmosphérique : Pollution causée par les oxydes d’azote (les différentes approches catalytiques pour l’abattement des NOx i.e. Selective Catalytic Reduction)

Procédé Fisher-Tropsch (production d’essences de synthèse)

Synthèse et utilisation du méthanol (incluant procédés MTG, etc…)

Synthèse de l’ammoniac (Procédé Haber-Bosch), combiné avec l’oxydation de NH3 en NO pour la production d’acide nitrique (Procédé Ostwald).

Synthèse de biodiesel par procédé catalytique (acide-base)

Oxydation partielle des oléfines/alcanes pour la fabrication de précurseurs de polymères (pétrochimie) :

a) Conversion du propène ou du propane en acroléine (précurseur des acides acryliques pour polyacryliques) (sur molybdate de Bi)
b) oxychloration de l’éthylène ou l’éthane (synthèse de DCE, précurseur pour les PVC)
c) ammoxydation de propène ou de propane (utilisé en synthèse d’acrylamides)

Polymérisation des oléfines (e.g. PE, PP)

Fabrication de l’éthylbenzène (procédé Mobil-Badger) par alkylation du benzène avec l’éthylène (catalyse acide par zéolithes ou BF3/g-alumine, etc.). Poursuivre avec déshydrogénation vers le styrène (sur oxyde de Fe, avec promoteur alcalin)

Supplémentaires (si plus de 11 étudiants inscrits) :

Hydrogénation et hydroformylation des oléfines (Ni supporté ou Ni Raney et Co ou Rh). Cas de l’hydrogénation des huiles végétales acides gras insaturés pour la production de margarine

Procédé de contact: synthèse de H2SO4 (oxydes alcalins + V2O5) et nouvelles approches pour le réarrangement de Beckmann du cyclohexanone oxime en ε-caprolactame pour la production du polyamide 6 (nylon)

Procédés d’hydrotraitements : élimination de l’azote, du soufre et de métaux des combustibles fossiles. Inclure le procédé Claus (catalyse sur alumine) pour la conversion de H2S en soufre élémentaire, qui est utilisé également pour l’hydrodésulfuration (pétroles, gaz naturel)

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			Numéro et titre du cours: a	Éléments de Catalyse industrielle CHM-7048
			Crédit:	3
			Session:	Hiver 2010
			Formule pédagogique :	Enseignement magistral
			Temps consacré:	4-0-0-5

			Horaire:	A déterminer

			Responsable: e e e	Freddy Kleitz Courriel : freddy.kleitz@chm.ulaval.ca Bureau : 2240-F pavillon Vachon Tél. 418-656-7812





			Place du cours dans le programme:

			Cours à options



			Objectifs et contenu :

			Ce cours vise à introduire les bases et les notions importantes de la catalyse industrielle. Les enjeux industriels, économiques et environnementaux de la catalyse et les défis modernes sont abordés. Les concepts fondamentaux sont discutés, c'est-à-dire les notions d’activité catalytique et de sélectivité, les types de réactions et procédés, les mécanismes, les contraintes techniques et difficultés (diffusion, désactivation, etc.), les différents types de réacteurs, etc. Une partie du cours porte également sur la synthèse des différents catalyseurs hétérogènes industriels, leurs mises en forme, leur exploitation, et la manière de tester leurs propriétés catalytiques. Les procédés catalytiques industriels les plus importants seront discutés, notamment ceux liés au pétrole et la pétrochimie, au reformage catalytique, à la catalyse environnementale, et à l'économie de l'hydrogène et des petites molécules d'importance (méthane, méthanol, ammoniac, oléfines, etc.).
			Le cours sera divisé en deux parties. La première consiste en une série de 7-8 cours magistraux d’une période de 3 heures chacune (sur 7-8 semaines), suivie d’une présentation d’exposés sur des sujets reliés au cours.



			1. Concepts d’importance en catalyse Vue d’ensemble Description et définitions – Qu’est-ce qu’on catalyseur? Catalyse hétérogène versus catalyse homogène Importance de la catalyse dans l’industrie et enjeu modernes Principaux types de réaction catalytique Nature des catalyseurs solides et réactivité (adsorption, mécanismes et étapes de la réaction catalytique hétérogène)


			2. Synthèse des catalyseurs Concepts généraux Catalyseurs non supportés dits « bulk » Catalyseurs supportés (supports et méthodes de synthèse) Oxydes et catalyseurs métalliques Catalyseurs acide-base (incl. oxydes, zéolithes, argiles, résines, etc.)


			3. Aspects technique des procédés de catalyse Forme des catalyseurs industriels Évaluation des catalyseurs (mesure de l’activité, phénomène de transport) Types de réacteurs Problèmes (diffusion, désactivation)


			4. Production et utilisation du gaz de synthèse Reformage catalytique et réaction de shift Synthèse du méthanol et procédé Fisher-Tropsch (essences de synthèse) Économie de l’hydrogène


			5. Introduction au raffinage du pétrole et pétrochimie (Optionnel)


			6. Éléments catalyse environnementale (Optionnel)





			Horaire et évaluation :


			Cours magistraux: s s	Jeudi de 13h30 à 16h20 (Local à déterminer) Début des cours : Jeudi 11 février 2010


			Examen sur les cours magistraux:	Début avril 2010 (local à déterminer) (60% de la session)


			Semaine du 26/04/10 (à confirmer): s s	Présentation orale de 30-35 minutes sur le sujet choisi (40% de la session) pour le travail de session et d’un résumé (remis au plus tard deux jours avant la présentation) contenant les points importants de la présentation et les références choisies. Les présentations peuvent se faire en français ou en anglais, au choix de l’étudiant.






Attribution des notes :

Selon les régles universitaires		d




Travail de session :


Pour la présentation, les points suivants seront évalués :
Introduction et présentation de la problématique du point de vue industriel ou autre. 15% Présentation des procédés chimiques impliqués dans les transformations. 30% Présentation des procédures industrielles permettant la transformation. 15% Présentation des défis et problèmes qui peuvent être encourus lors de la production. 15% Conclusion et perspective sur le(s) procédé(s) étudié(s). 10% Qualité de la présentation (orale et graphique). 15%




Listes des sujets qui peuvent être choisis (une personne par sujet):

Raffinage du pétrole et pétrochimie 1: Brut pétrolier et hydro-traitements Raffinage du pétrole et pétrochimie 1 Production d’essence (craquages, reformage, catalyse bifonctionnelle, isomérisation-alkylation, etc.) Catalyse et pollution automobile : Principes de la purification des gaz d’échappement automobiles (Three-Way Catalyst) Abattement de la pollution atmosphérique : Pollution causée par les oxydes d’azote (les différentes approches catalytiques pour l’abattement des NOx i.e. Selective Catalytic Reduction) Procédé Fisher-Tropsch (production d’essences de synthèse) Synthèse et utilisation du méthanol (incluant procédés MTG, etc…) Synthèse de l’ammoniac (Procédé Haber-Bosch), combiné avec l’oxydation de NH3 en NO pour la production d’acide nitrique (Procédé Ostwald). Synthèse de biodiesel par procédé catalytique (acide-base) Oxydation partielle des oléfines/alcanes pour la fabrication de précurseurs de polymères (pétrochimie) : a) Conversion du propène ou du propane en acroléine (précurseur des acides acryliques pour polyacryliques) (sur molybdate de Bi) b) oxychloration de l’éthylène ou l’éthane (synthèse de DCE, précurseur pour les PVC) c) ammoxydation de propène ou de propane (utilisé en synthèse d’acrylamides) Polymérisation des oléfines (e.g. PE, PP) Fabrication de l’éthylbenzène (procédé Mobil-Badger) par alkylation du benzène avec l’éthylène (catalyse acide par zéolithes ou BF3/g-alumine, etc.). Poursuivre avec déshydrogénation vers le styrène (sur oxyde de Fe, avec promoteur alcalin) Supplémentaires (si plus de 11 étudiants inscrits) : Hydrogénation et hydroformylation des oléfines (Ni supporté ou Ni Raney et Co ou Rh). Cas de l’hydrogénation des huiles végétales acides gras insaturés pour la production de margarine Procédé de contact: synthèse de H2SO4 (oxydes alcalins + V2O5) et nouvelles approches pour le réarrangement de Beckmann du cyclohexanone oxime en ε-caprolactame pour la production du polyamide 6 (nylon) Procédés d’hydrotraitements : élimination de l’azote, du soufre et de métaux des combustibles fossiles. Inclure le procédé Claus (catalyse sur alumine) pour la conversion de H2S en soufre élémentaire, qui est utilisé également pour l’hydrodésulfuration (pétroles, gaz naturel)