Watanabe LaboratoryLaboratoire Watanabe
WATANABE LABORATORY / RESEARCH
Quatre thèmes de recherche couvrant les matériaux, les structures, les réacteurs et l’apport d’énergie. Nous associons catalyse et génie de la réaction pour transformer les conversions moléculaires en procédés.
01 / CARBON CIRCULATION
Nous associons conversion du CO₂, production de gaz de synthèse et fixation de carbone solide dans des systèmes de circulation du carbone.
Nous étudions des procédés réactionnels utilisant le CO₂ et le méthane comme sources de carbone pour produire du gaz de synthèse destiné aux carburants et aux produits chimiques, ou du carbone solide récupérable et utilisable. Outre les transformations moléculaires catalytiques, nous examinons les combinaisons de réacteurs ainsi que la séparation et la récupération des produits afin de contrôler le devenir du carbone.
Pour valoriser les effluents gazeux industriels sur site, nous étudions les relations entre composition des gaz, température de réaction, débit et équilibre réactionnel. Nous relions les performances des matériaux catalytiques au bilan carbone du procédé complet, en visant une conversion et une récupération continues.
Nous convertissons le CO₂ en monoxyde de carbone par la réaction inverse du gaz à l’eau (RWGS) et le reformage à sec du méthane (DRM). Pour le gaz de synthèse, composé d’hydrogène et de monoxyde de carbone, nous étudions l’effet des combinaisons de conditions réactionnelles et de catalyseurs sur sa composition et sa production.
Nous combinons la RWGS avec des réactions produisant du carbone solide à partir du monoxyde de carbone, ainsi que la méthanation avec le reformage et la décomposition. Nous étudions les lieux et formes de formation du carbone, son accumulation sur les catalyseurs et les méthodes de récupération, afin de développer des procédés permettant de retirer le carbone pendant que les réactions se poursuivent.
Nous relions plusieurs étages réactionnels et ajustons la température, la composition gazeuse et l’élimination de l’eau à chaque étage. Nous examinons le rôle de chaque réaction et les transferts de matière entre étages pour évaluer les relations entre conversion du CO₂, récupération des produits et utilisation du carbone dans l’ensemble du système réactionnel.
02 / STRUCTURED CATALYSTS
Spirales, métaux poreux et couches catalytiques permettent de construire des réacteurs intégrant les transferts de chaleur et de matière.
Dans un réacteur catalytique, les performances dépendent de l’activité du matériau catalytique, mais aussi de l’écoulement des gaz, du transfert thermique et du transfert de matière vers la surface du catalyseur. Nous utilisons des catalyseurs structurés à base de spirales et de métaux poreux pour créer des environnements réactionnels en agissant sur les matériaux et la géométrie.
Nous déposons les composants catalytiques sur les supports par enduction et métallisation, en ajustant leur répartition et la géométrie des canaux. Nous associons expériences réactionnelles et analyses de l’écoulement et du transfert thermique pour étudier le transport des gaz vers les catalyseurs ainsi que celui de la chaleur de réaction.
Nous étudions l’effet de la torsion des spirales et des canaux des métaux poreux sur le mélange des gaz, leur séjour et leur contact avec les catalyseurs. Nous examinons la relation entre performances réactionnelles et perte de charge lorsque le débit augmente, afin de trouver des géométries adaptées à la capacité de traitement.
Nous formons des couches catalytiques sur des supports métalliques par enduction et dépôt chimique autocatalytique, notamment. Nous étudions les relations entre charge, répartition, adhérence et performances réactionnelles, en utilisant la conductivité thermique du support et les fonctions du matériau catalytique.
Nous étudions les écoulements et les distributions de température dans les réacteurs par l’expérience et la mécanique des fluides numérique (CFD). À travers des réactions telles que la méthanation du CO₂, nous évaluons comment la géométrie des structures contribue à répartir la chaleur produite et à alimenter la réaction en gaz.
03 / e-REACTION PROCESS
L’électricité introduite directement dans les réacteurs et catalyseurs permet une réponse rapide, un chauffage local et des équipements compacts.
Nous faisons passer le courant directement dans des structures catalytiques métalliques et utilisons la chaleur Joule produite par leur résistance électrique pour les réactions. La production de chaleur dans la structure portant le catalyseur permet de contrôler la relation spatiale entre apport d’énergie et réaction, et d’étudier les procédés chimiques à travers leurs méthodes de chauffage.
Nous relions les propriétés des matériaux et de production de chaleur des catalyseurs électrifiés aux distributions de température et aux transferts thermiques du réacteur. Nous étudions les réponses aux variations de puissance, de débit gazeux et de composition réactionnelle, pour développer des procédés électrifiés comprenant la méthanation du CO₂ et le reformage.
Nous examinons les relations entre trajets du courant, résistance électrique de la structure, emplacement de la couche catalytique et production de chaleur. Nous mesurons la puissance fournie et la température de réaction, puis comparons avec le chauffage externe pour évaluer l’effet du mode d’apport thermique sur la catalyse.
Nous étudions la conversion, la composition des produits et l’état du catalyseur dans la méthanation électrifiée du CO₂ (e-Methanation) et le reformage à sec du méthane (e-DRM). Pour les réactions exothermiques comme endothermiques, nous examinons la relation entre chauffage direct et chaleur de réaction.
Nous combinons par étapes des réactions telles que méthanation et reformage, en ajustant l’alimentation électrique et les conditions opératoires de chaque étage. Nous étudions les réponses au démarrage et aux changements de conditions, le contrôle de la composition du gaz de synthèse et la compacité des équipements, afin de créer des systèmes utilisables sur site.
04 / LATTICE SULFUR CATALYSIS
Nous étudions des cycles redox où le soufre des sulfures est libéré puis réinséré à partir de H₂S, pour réutiliser le soufre de réseau via les lacunes de soufre.
Nous utilisons le soufre du réseau des sulfures comme espèce chimique participant aux réactions. Nous nous intéressons à son implication dans l’abstraction d’hydrogène des hydrocarbures et à son départ sous forme de H₂S, puis à la réinsertion du soufre dans les lacunes correspondantes.
Grâce à des cycles rédox consommant et régénérant le soufre du réseau de manière répétée, nous étudions la déshydrogénation des alcanes et la conversion de composés soufrés. Nous examinons les relations entre l’état du matériau pendant la réaction et les produits pour développer des procédés catalytiques utilisant les espèces soufrées.
Nous étudions comment le soufre du réseau des sulfures participe à la conversion des hydrocarbures. Pour des réactions telles que la déshydrogénation des alcanes en oléfines, nous examinons les relations entre composition du catalyseur, température, composition gazeuse et sélectivité des produits.
Nous nous intéressons aux lacunes laissées après le départ du soufre du réseau et à la réinsertion de soufre au moyen de H₂S. Nous évaluons les conditions de réaction et de régénération, le transport du soufre et les performances catalytiques lors de cycles répétés, afin de trouver des conditions permettant de réutiliser le soufre du réseau.
Nous examinons la conversion des hydrocarbures faisant intervenir des espèces soufrées et les réactions de composés soufrés. En reliant l’état de surface du catalyseur au mode de chauffage, nous étudions l’effet des opérations utilisant notamment le chauffage direct sur la réactivité et les produits.
FROM CATALYST TO PROCESS
Notre démarche relie la chimie des matériaux au génie de la réaction, aux structures catalytiques et à l’apport énergétique.
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