Analyse combinée de l'optimisation des procédés et de l'évaluation environnementale pour l'écoconception de voies de synthèse : application à une voie de synthèse alternative du carbonate de diméthyle - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2022

Combined analysis of process optimization and environmental assessment for the eco-design of synthesis routes : application to an alternative synthesis route of dimethyl carbonate

Analyse combinée de l'optimisation des procédés et de l'évaluation environnementale pour l'écoconception de voies de synthèse : application à une voie de synthèse alternative du carbonate de diméthyle

Laurent Astruc
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1279288
  • IdRef : 264221176

Résumé

This thesis was developed by the need of the laboratory to design a multi-criteria methodology for the choice of synthesis routes of a chemical molecule of interest by including environmental, economic and energy aspects. To meet this demand, the principles of green chemistry have been classically used since the 1980s. Nevertheless, one of the problems identified is the lack of quantitative results brought by these principles. In parallel, the life cycle assessment (LCA) methodology is already recognized as an efficient solution for environmental analysis. For our study, we selected dimethyl carbonate (DMC) as a case study because its worldwide production is constantly increasing (multiplied by 4 between 2007 and 2015). Indeed, DMC is considered as a green molecule with a wide range of applications. It is used as a battery electrolyte and for the production of polycarbonates. First, three synthesis routes for the production of DMC (2 industrial and urea methanolysis) were compared from an environmental point of view using LCA via the recommendations of the ECOINVENT database (classically used in LCA to provide background data) and the principles of green chemistry. It appears that the results of the two methods are complementary but do not allow for an in-depth study, particularly on elements such as energy consumption. In a second step, the combined use of process modeling-simulation and life cycle assessment was applied to our case study: the production of DMC via urea methanolysis. A bibliographical study was carried out on the technological alternatives to produce DMC by urea methanolysis in order to identify the deficiencies of the models used in the simulation of the synthesis pathway and the mixture separation processes. The main objective of our study is the eco-design of a new technological process by considering the reaction phenomena and the real phase equilibrium by excluding the assumptions made in the consulted works. The modelingoptimization of the DMC synthesis pathway has been carried out around three scenarios including thermodynamic reaction models of different degrees of complexity using a reactive distillation column. This study seeks to show the differences in the environmental assessment of the process by considering a "conversion rate" model, a "chemical equilibrium" model and a "kinetics of consecutive and concurrent reactions" model. In a third step, an analysis of the cradle-to-gate process indicates that the train of interconnected columns for the separation of the reaction mixtures has important environmental impacts, among which heating appears to be the most important. Then, three separation scenarios were studied (high pressure distillation, distillation with two columns at different pressures and extractive distillation with a new green solvent, ethyl lactate) in order to optimize the purification of DMC from its azeotrope with methanol. The different studies carried out throughout the thesis allowed the development of different solutions applicable at the laboratory scale according to the progress of the research in the design phase of a new synthesis route. The advantages and disadvantages of the study at each stage of the design are listed in order to allow easy use by the different members of the laboratory research team.
Cette thèse a été développée par la nécessité du laboratoire de concevoir une méthodologie multicritère pour le choix de voies de synthèse d’une molécule chimique d’intérêt en incluant des aspects environnementaux, économiques et énergétiques. Pour répondre à cette demande, les principes de la chimie verte sont classiquement utilisés depuis les années 80. Néanmoins, un des problèmes identifiés est le manque de résultats quantitatifs apportés par ces principes. En parallèle, la méthodologie d’analyse de cycle de vie (ACV) est déjà reconnue comme une solution efficace pour l’analyse environnementale. Pour notre étude, nous avons sélectionné comme cas d’étude le carbonate de diméthyle (DMC) car sa production mondiale est en constante augmentation (multiplié par 4 entre 2007 et 2015). En effet le DMC est considéré comme une molécule verte avec des applications très variées. Il est utilisé en tant qu’électrolyte de batterie et pour la production de polycarbonates. Dans un premier temps, trois voies de synthèses pour la production de DMC (2 industrielles et la méthanolyse de l’urée) ont été comparées d’un point de vue environnemental en utilisant l’ACV via les recommandations de la base de donnée ECOINVENT (classiquement utilisée en ACV pour fournir des données d’arrière-plan) et les principes de la chimie verte. Il apparait que les résultats des deux méthodes sont complémentaires mais ne permettent pas une étude approfondie en particulier sur des éléments comme la consommation énergétique. Dans un second temps, l’utilisation combinée de la modélisation-simulation des procédés et de l’analyse de cycle de vie a été appliquée à notre cas d’étude : la production de DMC via la méthanolyse de l’urée. Une étude bibliographique a été réalisée sur les alternatives technologiques pour produire le DMC par la méthanolyse de l’urée afin d’identifier les déficiences des modèles utilisés dans la simulation de la voie de synthèse et les procédés de séparations de mélanges. L’objectif principal de notre étude est l’éco-conception d’un nouveau procédé technologique en considérant les phénomènes réactionnels et l’équilibre de phases réel par l’exclusion des hypothèses effectuées dans les travaux consultés. La modélisation-optimisation de la voie de synthèse du DMC a été réalisée autour de trois scénarios incluant des modèles thermodynamiques de réaction de degrés de complexité différents en utilisant une colonne de distillation réactive. Cette étude cherche à montrer les différences dans l’évaluation environnementale du procédé en considérant un modèle « taux de conversion », un modèle « équilibre chimique » et un modèle « cinétique de réactions consécutives et concurrentes ». Dans un troisième temps, une analyse du procédé du berceau à la porte indique que le train de colonnes interconnectées pour la séparation des mélanges issues de la réaction a des impacts environnementaux importants parmi lesquels la chauffe apparait comme un élément plus important. Ensuite, trois scénarios de séparation ont été étudiés (distillation à haute pression, distillation avec deux colonnes à différentes pressions et distillation extractive avec un nouveau solvant vert, l’ethyl lactate) afin d’optimiser la purification de DMC à partir de son azéotrope avec le méthanolLes différentes études effectuées tout au long de la thèse ont permis de développer les différentes solutions applicables à l’échelle du laboratoire selon l’avancement de la recherche dans la phase de conception d’une nouvelle voie de synthèse. Les avantages et les inconvénients de l’étude à chaque étape de la conception sont listés afin de permettre un usage facile par les différents intervenants de l’équipe de recherche du laboratoire.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04192314 , version 1 (31-08-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04192314 , version 1

Citer

Laurent Astruc. Analyse combinée de l'optimisation des procédés et de l'évaluation environnementale pour l'écoconception de voies de synthèse : application à une voie de synthèse alternative du carbonate de diméthyle. Sciences agricoles. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2022. Français. ⟨NNT : 2022INPT0034⟩. ⟨tel-04192314⟩
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