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Mécanique appliquée

Alumines poreuses, où est le maillon faible ?

"Étude du comportement mécanique à rupture des alumines de forte porosité : application aux supports de catalyseurs d’hydrotraitement des résidus"

Thèse de Déborah Staub

Le procédé d’hydrotraitement, qui permet de produire des carburants répondant aux spécifications environnementales, utilise des catalyseurs granulaires à base d’alumine dont on cherche sans cesse à améliorer les performances.

Un moyen d’y parvenir est l’accroissement de leur volume poreux interne et de leur surface spécifique, mais avec un risque : celui de les fragiliser mécaniquement.

Or l’intégrité physique de ces grains est essentielle. En effet, leur empilement dans le réacteur peut les dégrader et conduire à la formation de "fines" néfastes au fonctionnement du procédé. Les paramètres clés qui pilotent la résistance à la rupture des alumines de forte porosité, dans cette configuration, doivent donc être identifiés, ce qui pose un réel défi avec des échantillons d’aussi petite taille(1).

La démarche proposée par IFPEN, en collaboration avec l’Insa de Lyona, repose sur des essais de micromécanique associés à des observations à petite échelle et à une démarche de modélisation.

Dans le cas des grains de catalyseurs, une caractérisation nouvelle par indentation s’est révélée pertinente. L’endommagement local produit par l’indenteurb a été étudié par microscopie électronique à balayage (cf. figure).

Cet examen de la microstructure a permis d’en mettre en évidence les points faibles et d’identifier, à cette échelle, le mécanisme responsable de la dégradation macroscopique. En l’occurrence, la densification observée résulte d’un effondrement des pores les plus larges (> 1 µm). De plus, pour cette alumine poreuse, un critère de rupture inspiré de la mécanique des roches a été identifié par démarche inverse, à partir d’une simulation numérique de l’essai(2).

Ce travail contribuera à la conception de catalyseurs optimisés à la fois au plan mécanique et du point de vue de leur efficacité catalytique.

 

a - Laboratoire MATEIS (MATEriaux : Ingénierie et Science).
  
b - Pointe d’extrémité sphérique, de faible diamètre.

 

Contact scientifique : vincent.le-corre@ifpen.fr

Article paru dans Science@ifpen n° 23 - Décembre 2015

Publications

  1. D. Staub, S. Meille, V. Le Corre, J. Chevalier, L. Rouleau, Test d’écrasement grain à grain revisité à l’aide du test de flexion trois points pour la mesure de la résistance des supports de catalyseurs, OGST 2015, 70, 475-486.
    >> DOI : 10.2516/ogst/2013214
      
  2. D. Staub, S. Meille, V. Le Corre, L. Rouleau, J. Chevalier, Identification of a damage criterion of a highly porous alumina ceramic. Soumis à Acta Materiala.

 

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