Les technologies clés

Technologies organisationnelles et d'accompagnement

Catalyse

Fiche Technologie-clé n : 126

VERSION 3

• Présentation de la technologie
• Objectifs de la technologie
• Environnement technologique

Présentation de la technologie

Définition

La catalyse chimique consiste en la modification, bien souvent l'accélération, d'une réaction chimique en la présence d'une substance, dénommée catalyseur.

Un catalyseur est un composé dont la présence permet de modifier la vitesse d'une réaction chimique thermodynamiquement possible. Il peut prendre la forme d'une substance soit solide (alumine), soit liquide (complexe moléculaire), soit gazeuse (monoxyde d'azote).Il se retrouve inchangé en fin de réaction. Par la suite nous engloberons sous le terme de catalyse à la fois les catalyseurs eux-mêmes et leur mode d'utilisation.

La catalyse est dite positive lorsqu'elle conduit à l'accélération de certaines réactions. La catalyse négative, ou inhibition, réduit au contraire la vitesse de réaction non désirées. Ainsi, la catalyse permet-elle d'orienter les réactions chimiques vers des produits spécifiques et de limiter les réactions que l'on souhaite éviter, sources de sous produits.

La catalyse est homogène si le composé est soluble dans le milieu réactionnel ou miscible avec les réactifs. On utilise les qualificatifs de catalyse par transfert de phase ou de catalyse micellaire lorsque les réactifs et le catalyseur pur ou en solution conduisent à plusieurs phases liquides. La catalyse est dite hétérogène si le catalyseur est sous forme solide et s'il est mis en contact avec un milieu réactionnel liquide ou gazeux.

Techniques mises en oeuvre

La catalyse fait appel à de multiples procédés :

• modes de fabrication des catalyseurs (précipitation, procédés sol-gel, mise en forme par granulation, extrusion de pâte, etc),
• conception des réacteurs chimiques (transfert de matière, de chaleur, de calories, lit fixe, lit mobile, lit fluidisé, autoclaves, etc)
• conception et réalisation des unités industrielles,
• diffraction des rayons X,
• techniques de caractérisation de catalyseurs,
• procédés de régénération, de retraitement, d'élimination des catalyseurs...

Ainsi dans le domaine de la catalyse destinée au raffinage et à la pétrochimie, les techniques de caractérisation recourent à la microscopie électronique à transmission à haute tension haute résolution, la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) haut champs pour l'étude des solides, le rayonnement synchrotron, etc.

Des travaux couvrent les zéolithes et d'autres solides à propriétés acides, les catalyseurs multimétalliques, les sulfures et les oxydes.

En génie chimique de nouvelles approches sont développées visant à substituer l'approche empirique classique de génie chimique par un traitement utilisant l'hydrodynamique.

Objectifs de la technologie

Contexte concurrentiel et économique

Le marché de la catalyse est un marché à forte valeur ajoutée fortement transversal vis à vis des différentes applications industrielles dans le raffinage, la pétrochimie, la chimie de spécialité et la chimie fine. La catalyse est aujourd'hui très répandue dans ces processus de production et l'on estime que près de 80 % des procédés chimiques présentent au moins une étape catalytique.

Si le segment "fabrication de catalyseurs" reste soumis à forte concurrence, il perd toutefois de son importance relative à mesure que s'élèvent les coûts d'acquisition des licences de procédés. Les détenteurs de procédés performants cèdent en effet leurs licences à des conditions souvent excessives : limitations en terme de capacité, de territorialité, coûts prohibitifs, obligation de créer une joint-venture pour exploiter un marché...

Avec la catalyse on touche au coeur des procédés et les résultats de la recherche dans ce domaine conduisent fréquemment à des évolutions qui peuvent être de véritables ruptures technologiques assurant ainsi des positions dominantes sur les marchés. Un excellent exemple est donné par l'industrie des polyoléfines qui sont en train de passer, progressivement et grâce à la maîtrise de leurs propriétés physiques par le jeu de la catalyse, du statut de commodités à celui de polymères techniques.

L'Industrie française qui a développé de nombreux procédés catalytiques, reste toutefois relativement concurrencée par certaines entreprises américaines et européennes. En particulier, son poids demeure faible dans le domaine de la préparation des catalyseurs synthétisés soit par l'industriel lui-même (tel Rhône-Poulenc), soit par des entreprises spécialisées comme Procatalyse.

La mondialisation de l'activité entraîne que la majorité des catalyseurs est fournie par des fabricants étrangers, dans le domaine de la pétrochimie notamment.

Fonctions remplies :

La catalyse permet, tout en améliorant la vitesse et la sélectivité des réactions chimiques, de transformer un ou plusieurs composés chimiques (oléfines, hydrocarbures saturés, alcool...) en d'autres composés de plus haute valeur ajoutée (polymères, hydrocarbures aromatiques, aldéhyde) ou de les fonctionnaliser en composés de moindre toxicité (transformation des gaz d'échappement en gaz carbonique, azote et vapeur d'eau par exemple).

Environnement technologique

Technologies concurrentes :

• la chimie organique classique est souvent peu sélective ce qui devient un handicap face aux problèmes d'environnement liés à la nécessité d'abaisser la quantité de sous produits même non nocifs ; la catalyse permet d'y remédier et, de plus, présente des avantages en matière de gains "d'étapes" dans la réalisation des processus chimiques tout en utilisant des réactifs moins coûteux
• les synthèses non catalytiques peuvent être utilisées quand les produits mis en oeuvre sont très complexes et trop fragiles ;
• les procédés thermiques présentent des atouts malgré les moindres performances à haute température de l'activation thermique par rapport à l'activation catalytique.

Evolutions technologiques :

D'un point de vue global, les évolutions technologiques tendent vers une meilleure sélectivité, un meilleur rendement, une réduction du nombre de sous-produits et du nombre d'étapes dans une réaction. Les acteurs de la catalyse cherchent à proposer des catalyseurs plus actifs permettant de diminuer la taille des réacteurs.

Ils mettent d'autre part, l'accent sur de nouveaux design ou sur de nouveaux réacteurs pour la mise en oeuvre (réacteurs à membrane).

Dans le domaine des catalyseurs de raffinage en particulier, les contraintes économiques et environnementales conduisent les producteurs à proposer des catalyseurs plus actifs (permettant d'économiser de l'énergie), plus sélectifs (générant moins de sous-produits), à durée de vie accrue et à coûts plus compétitifs. Les catalyseurs employés seront plus complexes et formés d'éléments multiples. Ils devront afficher des porosités, des résistances mécaniques et thermiques plus performantes et une granulométrie optimale.

Programmes de recherche :

Les principaux thèmes de recherche : l'activation de molécules partiellement inactives (tels les alcanes), le développement de nouveaux catalyseurs appliqués à des réactions pour lesquelles on ne connaît pas de catalyseurs efficaces, le développement de nouvelles formulations et de nouveaux réacteurs, l'amélioration de la sélectivité et, enfin, l'accroissement du rendement (chimie propre).

Les applications principalement visées par ces recherches sont le raffinage du "fond du baril", la reformulation des carburants, la production d'oléfines et d'aromatiques, le traitement de la dépollution des sources fixes ou mobiles (centrales thermiques, moteurs à essence et moteurs diesel, traitement des efficients gazeux et liquides), la récupération en production de soufre...

Programmes de recherche :

Quelques axes se dégagent pour les recherches à moyen et long termes dans le domaine de la pétrochimie et du raffinage

• Recherches Appliquées :
  • dans le domaine de la conversion : amélioration du catalyseur contrôlant à la fois l'activité chimique et la texture du support (procédé HYVAHL), développement d'une technologie à lit mobile destinée à se substituer aux technologies lit fixe.
  • dans le domaine des carburants : transformation de l'essence vierge en supercarburant sans production d'aromatiques (c'est à dire substituer le réformage catalytique par l'isomérisationde la coupe C7 - C9).
  • dans le domaine du gaz naturel : conversion chimique du gaz naturel en produits liquides, développement d'un procédé de liquéfaction du gaz naturel.

• Recherches de base :
  • découverte de nouveaux systèmes catalytiques : ouverture sélective des cycles naphténiques, isomérisation des paraffines moyennes et lourdes, aromatisation des GPL, etc.
  • nouvelles techniques de séparation dans le domaine de l'absorption et des membranes de perméation.
  • dans le domaine de la modélisation des procédés (modélisation des sections réactionnelles et de séparation).