Pré-requis : Bases en chimie acquises en M1 Connaissances niveau L3 en chimie Organométallique UE Valorisation chimique de la biomasse végétale et bioénergie (CPI 3)
Volume horaire : 46h C
Responsable : Francine Agbossou

• Objectifs pédaogiques :

Bonne connaissance des différents catalyses et catalyseurs

Compréhension des phénomènes mis en jeu en catalyse hétérogène.

Connaître les principaux types de réactions en chimie organométallique et les applications en catalyse homogène industrielle

Compréhension des notions théoriques en catalyse enzymatique et des applications

• Connaissances et compétences :

Avoir une connaissance des grands procédés industriels de catalyses homogène et de catalyse hétérogène

Avoir une connaissance des applications en catalyse enzymatique

A l’issue de l’enseignement, l’étudiant est capable de :

Développer des compétences en chimie des complexes de métaux de transition en relation avec la catalyse homogène.

Avoir des compétences en synthèse de produits incluant une ou plusieurs étapes de catalyse.

 

Programme

1. Introduction à la Catalyse

Brève histoire de la catalyse, Procédés catalytiques et enjeux économiques, Notions fondamentales en catalyse, Les différentes opérations unitaires pour fabriquer un catalyseur hétérogène

2. Catalyse hétérogène

Post-traitement de l’air, Catalyse pour l’énergie, Catalyse pour la valorisation de la biomasse

3. Catalyse homogène

Généralités sur la catalyse et ses applications, Carbonylation, Hydroformylation, Oxydation, Oligomérisation et métathèse, Polymérisation, Hydrocyanation des diènes, Chimie fine

4. Catalyse enzymatique

Nomenclature des enzymes, Structure d’une enzyme, Site actif, La catalyse enzymatique, Généralités, Spécificité de la catalyse enzymatique, Exemples en catalyse enzymatique

 

Pré-requis : Bases en chimie acquises en M1 Connaissances niveau L3 en Spectroscopie, Chimie Minérale Bases de chimie inorganique et chimie du solide, Bases sur les spectroscopies vibrationnelles, atomiques et électroniques
Volume horaire : 44h C
Responsable : Christine Travers

• Objectifs pédagogiques :

Préparations :

Connaissances sur les diverses méthodes de préparation des supports

Connaissances des bases théoriques et pratiques de la préparation des phases actives des catalyseurs hétérogènes (massiques et supportées) en insistant sur les points délicats afin que l’étudiant soit capable de proposer et de réaliser seul un mode opératoire de fabrication de catalyseur.

Sensibiliser l’étudiant à l’extrapolation de l’échelle laboratoire à l’échelle industrielle

Caractéristiques texturales et structurales des matériaux catalytiques

Compréhension des propriétés des supports de catalyseurs et des catalyseurs

Interpréter les informations déduites des diverses caractérisations physiques des solides divisés à propriétés catalytiques

Connaître les conditions d’application et les limites d’applicabilité de chacune de ces techniques

• Connaissances et compétences :

A l’issue du cours, l’étudiant est capable de :

Décrire les principales méthodes de synthèse des supports et de leur mise en forme

Décrire et sélectionner les différentes méthodes de préparation des catalyseurs hétérogènes et leur activation.

Décrire les grands procédés catalytiques industriels et justifier les choix technologiques en termes de réacteur et catalyseur pour les procédés en cours actuellement.

Faire le choix des techniques selon la propriété ou caractéristique du catalyseur que l’on désire connaitre,

Donner les limites d’applicabilité de chacune de ces techniques

 

Programme

1. Préparation et mise au point du catalyseur industriel

Rappel et différents types de catalyse, Développement du catalyseur industriel, Préparation des catalyseurs hétérogènes supportés, Les différentes étapes unitaires, Etape d'imprégnation de la phase active,                Etapes de traitements thermiques, Détermination des propriétés catalytiques, Les propriétés fondamentales d'un catalyseur industriel, Les tests mis en œuvre, Causes de désactivation, La mise en œuvre industrielle du catalyseur, Méthodes de chargement industriel

2. Les supports de catalyseurs

Introduction, Propriétés physico-chimiques du support, Propriétés texturales des supports, Propriétés mécaniques des supports, Préparation du support : Synthèse, Mise en forme, séchage/Calcination, Les supports : L'alumine, La silice, Les silices-alumines amorphes, Les zéolithes A et  USY, Le titane, Les résines, Les charbons actifs et SiC, MgCl2

3. Analyse physicochimie des catalyseurs

Introduction, analyse chimique globale, Analyses de Surface, Analyses des structures et des phases, Analyses texturales, Microscopie Electronique et Microanalyses, Spectroscopie Moléculaire, Rayonnement sur Synchrotron, Tutoriels

4. Caractérisation physicochimique des catalyseurs hétérogènes par spectroscopie vibrationnelle

Principe et mise en œuvre, Mise en évidence des vibrations de structure, Partie expérimentale – description des cellules utilisées, Etude des propriétés Acidité/Basicité, Etude des sites métalliques et des alliages, Etude de phases complexes sulfures, Etudes de cas : Analyse de plusieurs publications relatives à la spectroscopie in-situ et spectroscopie operando en Infrarouge et Raman

 

Pré-requis : Connaissances niveau M1 en cinétique réactionnelle et en Physicochimie des mélanges (Lic S6) o UE Cinétique réactionnelle du Master 1ère année o Etablissement et calcul de vitesse de réaction, conversion, sélectivité o Etablissement de bilans de matière o Thermodynamique : grandeurs thermodynamiques (U, A, F et G), établissement et interprétation des diagrammes des phases, comportement des corps purs et mélanges o Résolution d’équations différentielles de premier ordre
Volume horaire : 54h C
Responsable : Jean-Charles de Hemptinne

• Objectifs pédagogiques :

L’objectif de l’UE Cinétique réactionnelle et Thermodynamique est de donner aux étudiants les connaissances pour développer et analyser les modèles cinétiques en particulier pour les applications catalytiques. L’étudiant devra également être capable de comprendre et de sélectionner des modèles thermodynamiques adaptés aux différents problèmes rencontrés lors de la simulateur de procédés.

• Connaissances et compétences :

Connaissances :

Connaissance du comportement des fluides (diagrammes thermodynamiques, diagrammes de phase)

Compétences :

A l’issue de ce cours, l’étudiant doit être capable de :

sélectionner un modèle cinétique parmi plusieurs modèles à partir de données expérimentales et pour une réaction ou un ensemble de réactions donné
Avoir une vision critique de ces données expérimentales ainsi que de la façon dont elles ont été obtenues.
La compréhension des équilibres de phases
La connaissance des méthodes prédictives couramment utilisées dans le domaine du Génie des Procédés et notamment les grandes familles de modèles de calcul d’équilibres (équations d'état cubiques, règles de mélange, modèles de coefficient d'activité)
La mise en œuvre de ces modèles (algorithme de flash)

La capacité à choisir un modèle thermodynamique en fonction des constituants d’un mélange

Programme

Harmonisation cinétique

Chapitre 1 : rappels et définitions

• Définitions : cinétiques homogène et hétérogène, vitesse de réaction, conversion, sélectivité…

• Rappels : expression des bilans de matière, loi d’Arrhénius, théorie des collisions, énergie d’activation

Chapitre 2 : cinétique formelle

• Réactions d’ordre simple

• Réactions réversibles

• Réactions successives

• Réactions parallèles

• Réactions jumelles

• Exercices d’application : réactions à volume constant

Chapitre 3 : cinétique catalytique

• Réactions en chaîne : polymérisation

• Catalyse hétérogène :

o         Modèle de Langmuir – Hinshelwood : réaction monomoléculaire, bimoléculaire (sites identiques ou distincts), adsorption dissociative.

o         Modèle de Eley – Rideal

o         Modèle de Mars et van Krevelen

o         Exercices d’application : réactions à volume variable

• Catalyse enzymatique :

o         Modèle de Michaelis – Menten

o         Détermination des paramètres de l’équation de Michaelis – Menten

o         Phases d’une réaction enzymatique : détermination de la vitesse initiale

 

Cinétique réactionnelle avancée

Chapitre 4 : cinétique avancée

• Mécanismes réactionnels en cinétique homogène

o         Classification des réactions homogènes

o         Principes cinétiques

o         Réactions en séquence ouverte (par stades)

o         Réactions en séquence fermée

• Mécanismes réactionnels en cinétique hétérogène

o         Classification des réactions hétérogènes

o         Réactions sur catalyseur solide

o         Exercices

Chapitre 5 : modélisation avancée

• Réseaux cinétiques

o         Filiation des constituants

o         Approches par regroupement

o         Méthodes avancées

• Modélisation avancée

o         Description informatique de molécules et de réactions

o         Génération de réseaux réactionnels

o         Définition de paramètres cinétiques fondamentaux

o         Utilisation de contraintes thermodynamiques

o         Résolution des équations (algébro-) différentielles

o         Estimation des paramètres

o         Application au reformage catalytique

Chapitre 6 : analyse cinétique

• Analyse cinétique de résultats expérimentaux

o         Méthode différentielle

o         Méthode intégrale

• Estimation de paramètres

o         Principes

o         Analyse des résultats : tests physicochimiques, tests statistiques, …

• Discrimination de modèles en compétition

o         Utilisation de vitesses initiales

o         Utilisation de l'analyse statistique

o         Extraction séquentielle de conditions expérimentales optimales

 

Thermodynamique appliquée

 

Session 1: Etre capable de calculer les propriétés de corps purs à partir de leurs paramètres caractéristiques (méthode de Lee Kesler)

Session 2: Etre capable de calculer un équilibre de phase à l'aide de la méthode de Rachford-Rice

Session 3: Etre capable de calculer un équilibre en utilisant la fugacité

Session 4: Etre capable d'identifier le rôle des paramètres dans une équation d'état

Session 5: Etre capable de distinguer les déviations enthalpiques et entropiques à l'idéalité

Session 6: Etre capable de reconnaître et de construire un diagramme de phase comprenant des azéotropes et des démixtions

Session 7: Etre capable de calculer un diagramme de phase complexe à l'aide d'un modèle à coefficient d'activité, et de régresser les paramètres

Session 8: Etre capable d'identifier les avantages et inconvénients des équations d'état complexes (règles de mélange de type Huron-Vidal; équations issus de la statistique)

Session 9: Etre capable de choisir le modèle en fonction du système

Pré-requis : Etablissement des bilans de matière et d’énergie - Connaissance de base en cinétiques réactionnelles o Equations différentielles du premier ordre - UE Génie des Procédés et Réactivité du Master 1ère année
Volume horaire : 46h C
Responsable : Benjamin Katryniok

• Objectifs pédagogiques :

Les objectifs de l’UE Réacteurs catalytiques sont d’apporter les connaissances pour :

o mesure, identification et modélisation des écarts à l’idéalité de l’écoulement dans un réacteur réel

o optimisation de réacteurs réels en fonction d’un objectif donné

o modélisation des réacteurs catalytiques hétérogènes

• Connaissances et compétences :

Connaissances :

Connaitre la différence entre réacteur idéal et réel
Connaitre les méthodes pour modéliser réacteur idéal et réel
Connaitre les facteurs permettant d’optimiser un réacteur catalytique réel (paramètres du catalyseur, du réacteur et conditions opératoires)
Connaitre les sources responsables pour une falsification des donnés cinétiques

Compétences :

A l’issue de ce cours, un étudiant doit être capable de :

Identifier le comportement hydrodynamique d’un réacteur quelconque et de proposer une modélisation de ce comportement.
Dimensionner un réacteur pour un objectif donné
Optimiser le fonctionnement d’un réacteur idéal pour une cinétique donnée
Analyser le comportement d’un réacteur réel et de le modéliser
Avoir des connaissances de base sur l’analyse de l’opération unitaire d’agitation / mélange : dimensionnement - conduite raisonnée – scale-up

Programme

Analyse de l’opération d’agitation

1. Introduction: les difficultés liées à l’analyse d’un procédé de mélange

2. Rappel : Classification des fluides selon leur comportement rhéologique

3. Principaux objectifs visés par l’opération d’agitation selon la nature des milieux en présence

4. Bonne pratique- Classification des mobiles et critère de choix d’un mélangeur

5. Analyse fine d’une opération unitaire : Théorie de similitude et analyse dimensionnelle: Principes de base

6. Exemple d’analyse fine : Obtention des caractéristiques d’un système d’agitation: puissance, temps de mélange, transfert de chaleur pour fluides monophasiques newtonien

7. Autres outils pour obtenir des informations fines sur opération de mélange: CFD et mesure du champ des vitesses

8. Extrapolation

9. Incidence du comportement rhéologique sur le procédé de mélange

10. Analyse fine de procédés de mélange mettant en jeu des systèmes dispersés (S/L, L/L, G/L)

 

Introduction au calcul de réacteurs

1)         Introduction

Généralités

Cadre du cours : réacteurs isothermes

Définition d’un réacteur, données nécessaires à son calcul. Différents types de réactions, de réacteurs.

Rappels de cinétique

Réaction irréversible et réversible. Loi aux puissances. Coefficient stœchiométrique algébrique.

 

2)         Bilans-matière sur les réacteurs idéaux

Equation générale
Application à un Réacteur Fermé Uniforme (RFU)

Equation caractéristique. Définition de la conversion et du temps de séjour.

 

Application à un Réacteur à Ecoulement Piston (REP)

Equation caractéristique. Définition du temps de passage.

 

Application à un Réacteur Ouvert Parfaitement Agité (ROPA)

Equation caractéristique. Définition du temps de passage moyen.

 

3)         Calcul du volume du réacteur et du temps de séjour (ou de passage)

RFU

i.           A V constant

ii.          A P constante

Relation entre V et X.

REP
ROPA
Comparaison graphique REP-ROPA

Point et courbe de fonctionnement.

Association de réacteurs en série

Méthode graphique.

1.  Cascade de ROPA de même volume
2.   Cascade de ROPA de volumes différents
3. Cascade de ROPA à volume total optimisé
4.  REP et ROPA en série

4)         Réaction à stœchiométrie multiple

Notion de sélectivité locale et globale, de rendement. Optimisation de ces paramètres.

Réactions en parallèle de même ordre cinétique

1.   RFU et REP
2.  ROPA

Réactions en parallèle d’ordres cinétiques différents

1.  2 réactions
2.  3 réactions et plus

Réactions en série

1.  RFU et REP
2. ROPA

 

Réacteurs hétérogènes (pré-acquis : Bilans de matière sur les réacteurs isothermes, dimensionnement de réacteurs idéaux, cinétique)

Notions d’âge, de temps de séjour, de distribution de temps de séjour (DTS), identification des réacteurs, modèles simples : réacteur piston à dispersion axiale, cascade de réacteurs parfaitement agité
Transfert de matière et de chaleur dans les lits catalytiques, couplage transfert - réaction, impact sur la cinétique apparente (falsification de la cinétique intrinsèque), notion de sélectivité et impact des limitations diffusionnelles sur ce dernier, impacts économiques
Transfert de chaleur dans les lits catalytiques, light-off, emballement thermique, explosivité et aspects thermiques
Modelés pour la perte de charge, impacts économiques
dimensionnement de réacteurs réels basé sur l’utilisation de modèles simples, optimisation du fonctionnement d’un réacteur, intensification
étude d’un cas : le réacteur à lit fluidisé ; microréacteur, trickle-bed
modèles de réacteurs catalytiques fluide - solide à lit fixe : modèles pseudo-homogène, hétérogène.

Pré-requis : Notions de génie des procédés et de chimie UE Valorisation chimique de la biomasse végétale et bioénergie (CPI 3)
Volume horaire : 30h C
Responsable : Christine Travers

• Objectifs pédagogiques :

L’objectif général du cours est de permettre aux étudiants d'avoir une vue synthétique des différents procédés de pétrochimie, de comprendre les raisons de l'existence de ces différents procédés ainsi que les conditions opératoires sur lesquels ils ont été construits.

• Connaissances et compétences :

Connaissances :

- Connaître le rôle et les caractéristiques techniques et économiques des principaux procédés de raffinage, de fabrication des molécules de base pour la pétrochimie et de valorisation de la biomasse
- avoir une idée claire de la fabrication et de l'utilisation des biocarburants,

Compétences :

A l'issue de cette unité d'enseignement les étudiants devront:

- être capables d'intégrer chaque unité dans un schéma de raffinage cohérent,

- appréhender les enjeux liés à l’utilisation des énergies fossiles et des biocarburants ainsi que l'importance technique et économique de la synergie entre les activités de raffinage et la pétrochimie

Programme

Raffinage et procédés pétrochimiques – Partie 1

I           Futur de l'industrie pétrolière – Les Défis

1.    L'industrie pétrolière a-t-elle un futur ?

•         équilibre offre – demande

•         prix du brut

•         "peak oil"

2.    Les développements du futur

•         Amont pétrolier           

o     repousser les limites

o     captage et stockage du CO2

•         Aval pétrolier

o     transformer le pétrole brut en énergie

o     diversifier les sources d'approvisionnement :

o     biomasse, gaz, charbon

II          Introduction au raffinage

1.    Le pétrole brut

2.    Les produits pétroliers

3.    Les objectifs du raffinage

4.    La pétrochimie

5.    Optimisation économique, synergie entre le raffinage et la pétrochimie

III         Quelques grands procédés du raffinage

1.    Le reformage catalytique

2.    L'isomérisation des paraffines légères

3.    L’Hydrotraitement

4.    L’Hydrocraquage

5.    Le Craquage catalytique (FCC)

 

Raffinage et procédés pétrochimiques – Partie 2

 

1.         Introduction sur la Pétrochimie

•         Définition

•         Historique

•         Facteurs favorables à l'essor de la Pétrochimie

•         Intermédiaires de 1ère et 2ème générations

•         Comparaison Raffinage / Pétrochimie

2.         Production du gaz de synthèse et de l'hydrogène

•         Oxydation partielle (POX) et gazéification

•         Vaporeformage

•         Shift réaction

•         Réformeur Auto-Thermique (ATR)

3.         Production d'Aromatiques et d'Oléfines

•         Réformage Catalytique

•         Vapocraquage (Steam cracker)

•         Craquage catalytique (FCC)

4.         Procédés de séparation

•         Introduction

•         Extraction liquide/liquide

•         Séparation des xylènes sur tamis

•         Procédés de transformation des aromatiques

•         Transalkylation – Disproportionation – Hydrodéalkylation – Isomérisation des xylènes

•         Complexes Aromatiques

5.         Hydrogénations Sélectives

•         Introduction

•         Hydrogénation de la coupe C2

•         Hydrogénation de la coupe C3

•         Hydrogénation de la coupe C4

•         Hydrogénation de la coupe essence

6.         Oligomérisation des oléfines

•         Introduction

•         Réactions

•         Procédés

 

Bioraffinage

1.         Introduction :

•         Ressources carbonées fossiles et renouvelables

•         Énergie en chiffre

•         Carburant et produits chimiques.

2.         Biomasse :

•         Définition

•         Compositions : nature moléculaire

•         Provenance approvisionnement

3.         Bioraffineries « constatées » :

•         Exemples historiques (Quarker Oats)

•         Bio-éthanol 1 ère génération

4.         Bioraffinerie « intégrée »

•         Concepts

•         Bioraffinage vs. Raffinage pétrolier

5.         Prétraitement de la biomasse :

•         Physiques

•         Chimique

•         Mixtes

6.         Molécules plateformes :

•         Nature

•         Obtention

•         Transformation

7.         Procédés thermochimiques :

•         Gazéification

•         Fischer-Tropsch

•         GTL

8.         Développements actuels

Volume horaire : 40h Laboratoire
Responsable : Davis Simon

• Objectifs pédagogiques :

L'anglais occupe une place très importante dans le milieu de la recherche académique et privé. La partie Anglais de l’UE aborde les aspects spécifiques liés au domaine scientifique.

La partie Gestion de projet permettra aux étudiants de mieux structurer leur organisation pour mener à bien leurs projets.

• Connaissances et compétences :

Connaissances :

Anglais

Approche de l’anglais scientifique

Présentation d’un projet en anglais

 

Gestion de projet

e-learning MOOC EC-Lille (Rémi Bachelet)

Semaine 1 : notions fondamentales

Semaine 2 : outils info. et évaluation financière

Semaine 3 : organisation des projets

Semaine 4 : analyse fonctionnelle

Semaine 5 : pilotage et planification

 

Compétences :

Savoir faire un exposé en anglais et le présenter
Communication en anglais

Le MOOC Gestion de Projet (GdP) introduit les apprenants à la gestion de projet :

Dans ses fondamentaux : A quoi cela sert-il ? Quels en sont les principaux “points durs” ?

Dans ses outils : savoir monter un projet, animer une équipe, négocier un objectif, mettre en œuvre la collaboration d’une équipe sur le net....

Programme

Responsable : Christophe Dujardin

• Objectifs pédagogiques :

L'objectif de l’UE Projet bibliographique est de faire un point sur la bibliographie sur un sujet précis, d'en écrire une synthèse et de la présenter oralement devant un jury. L'objectif est de former les étudiants à la recherche bibliographique et à l'analyse de la littérature scientifique.

• Connaissances et compétences :

Connaissances :

Consulter des moteurs de recherches pour les articles scientifiques
Enrichir la connaissance sur un sujet précis de la littérature

Compétences :

A l’issue de l’enseignement, l’étudiant est capable de :

Faire une recherche d’articles de la littérature sur un sujet précis
Identifier les articles et analyser les données contenues dans les articles
Rédiger une synthèse bibliographique

Proposer des perspectives suite à l’analyse de la littérature

Programme

Recherche bibliographique

Analyse de données bibliographiques

Rédaction d’un rapport

Présentation de la synthèse bibliographique