Les industries chimique et pétrochimique sont soumises à une pression croissante pour adopter des procédés durables, écoénergétiques, minimisant l'impact environnemental tout en restant économiquement compétitifs. La séparation aromatique-aliphatique, notamment l'extraction du benzène, du toluène, de l'éthylbenzène et des xylènes (BTEX) à partir d'hydrocarbures aliphatiques C4-C10, présente des défis majeurs en raison de leurs points d'ébullition proches et de leur comportement azéotropique, particulièrement dans les flux à faible teneur en aromatiques (< 20% en poids). Les méthodes conventionnelles, comme la distillation extractive à base de sulfolane, sont énergivores et économiquement non viables pour ces mélanges, rendant nécessaire le développement d'alternatives innovantes et respectueuses de l'environnement. Cette thèse explore le potentiel des solvants eutectiques profonds (DES) à base de chlorure de choline, notamment des mélanges binaires (ChCl:Urée, 1:2) et ternaires (ChCl:Urée:Éthylène Glycol, 1:2:1), comme solvants durables pour l'extraction liquide-liquide des aromatiques du fuel oil, dans le but d'améliorer l'efficacité des procédés et la responsabilité environnementale.
Cette recherche adopte une approche multidisciplinaire, intégrant des données de la littérature, la modélisation thermodynamique, la simulation de procédés et l'évaluation techno-économique. En l'absence de données expérimentales, des prédictions de modèles thermodynamiques ont été utilisées, basées sur le paramètre de solubilité de Hansen (HSP) et le modèle COSMO-SAC, soutenus par des méthodes de contribution de groupes (GCM) et des calculs de chimie quantique (QC) pour prédire les données d'équilibre de phase et élucider les interactions moléculaires et le comportement de solubilité. Le modèle Non-Random Two-Liquid (NRTL) a permis la régression des données et la conception des procédés, facilitant la création de composants DES définis par l'utilisateur dans Simulis Thermodynamics et Aspen Plus®. Les données de la littérature ont validé les modèles, confirmant des coefficients de distribution aromatique élevés et des sélectivités importantes, le système m-xylène/n-octane atteignant des sélectivités de 33,45 pour le DES ChCl:Urée et 22,49 pour le DES ChCl:Urée:EG à 298,15 K, indiquant une performance élevée par rapport aux normes industrielles.
Le procédé d'extraction basé sur les DES a permis une récupération et une pureté des aromatiques et des aliphatiques supérieures à 98%, répondant aux exigences industrielles strictes. Comparés aux solvants traditionnels comme la sulfolane et les liquides ioniques, les DES montrent une efficacité d'extraction supérieure, une perte de solvant réduite et un impact environnemental considérablement moindre grâce à leur faible toxicité, leur biodégradabilité et leur non-volatilité. Le DES ternaire a présenté une meilleure aptitude au traitement à température ambiante en raison de sa faible viscosité et de son point de fusion bas.
Une analyse technico-économique a révélé que la mise en œuvre de ce procédé pourrait représenter une avancée vers des opérations plus durables, en réduisant significativement la consommation énergétique et les coûts élevés associés aux solvants conventionnels comme le sulfolane et les liquides ioniques. Cette thèse aborde également le manque de données expérimentales et les défis de la modélisation des systèmes aromatiques-DES, en proposant des outils prédictifs robustes et un cadre de conception de procédés évolutif. Cette étude contribue à l'avancement des procédés chimiques durables en proposant une technologie de séparation viable et respectueuse de l'environnement. Les perspectives de développement incluent la génération de données expérimentales, l'optimisation des stratégies de récupération des solvants et l'évaluation des impacts environnementaux à long terme pour faciliter l'adoption à l'échelle industrielle des technologies d'extraction basées sur les DES. |
The chemical and petrochemical industries are under increasing pressure to implement sustainable processes that reduce energy consumption, carbon emissions, and environmental impact while maintaining economic viability. Aromatic-aliphatic separation, particularly the extraction of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes (BTEX) from C4 – C10 aliphatic hydrocarbons, presents significant challenges due to close boiling points and azeotropic behavior, especially in mixtures with low aromatic content (below 20% by weight). Conventional methods, such as sulfolane-based extractive distillation, are energy-intensive and economically infeasible for such streams, necessitating innovative, eco-friendly alternatives. This thesis investigates the potential of choline chloride-based deep eutectic solvents (DESs), specifically binary (ChCl:Urea, 1:2) and ternary (ChCl:Urea:Ethylene Glycol, 1:2:1) mixtures, as sustainable solvents for liquid-liquid extraction of aromatics from fuel oil, aiming to enhance process effciency and environmental responsibility.
This research employs a multidisciplinary approach, integrating literature data, thermodynamic modeling, process simulation, and techno-economic evaluation. Where literature data were unavailable, thermodynamic model predictions were applied using the Hansen Solubility Parameter (HSP) and COSMO-SAC models, supported by Group Contribution Methods (GCM) and Quantum Chemical calculations (QC) to predict phase equilibrium data and elucidate molecular interactions and solubility behavior. The Non-Random Two-Liquid (NRTL) model facilitated data regression and process design, enabling the creation of user-defined DES components in Simulis Thermodynamics and Aspen Plus®. Literature data validated the models, confirming high aromatic distribution coefficients and selectivities, with the m-xylene/n-octane system achieving selectivities of 33.45 for ChCl:Urea DES and 22.49 for ChCl:Urea:EG DES at 298.15 K, indicating strong performance relative to industry standards.
The DES-based extraction process achieved > 98% recovery and purity of aromatics and aliphatics, meeting stringent industrial requirements. Compared to traditional solvents such as sulfolane and ionic liquids, DESs show superior extraction efficiency, reduced solvent loss, and significantly lower environmental impact due to their low toxicity, biodegradability, and non-volatility. The ternary DES exhibited improved processability at room temperature owing to its low viscosity and melting point. A techno-economic analysis revealed that implementing this process could serve as a bridge toward more sustainable operations by significantly reducing both energy consumption and the high costs associated with conventional solvents like sulfolane and ionic liquids. This thesis also tackles the lack of experimental data and challenges in modeling aromatic-DES systems, offering robust predictive tools and a scalable process design framework. This study contributes to the advancement of sustainable chemical processing by proposing a viable and environmentally responsible separation technology. Perspectives for further development include generating experimental datasets, optimizing solvent recovery strategies, and evaluating long-term environmental impacts to facilitate the industrial-scale adoption of DES-based extraction technologies. |