La performance des procédés de séparation des xylènes utilisant des adsorbants nanoporeux est liée aux propriétés de transport et de sélectivité des zéolithes faujasite du type BaX. Les zéolithes conventionnelles présentent un grand volume de micropores et une bonne sélectivité vis-à-vis du paraxylène. Cependant, la diffusion intracristalline est un processus lent qui limite l'efficacité des zéolithes. Par conséquent, l'utilisation de zéolithes hiérarchiques a été proposée comme alternative pour améliorer les propriétés de transport par l'introduction d'un réseau poreux supplémentaire. Dans cette thèse, deux types de zéolithes hiérarchiques BaX sont considérés: les agrégats de nanoparticules (NA - des agrégats de petites particules avec des mésopores entre eux) et les zéolithes Layer-Like (LL), formées par un réseau de couches zéolitiques (présentant des mésopores entre les couches et au sein des couches). Afin de mieux comprendre le rôle joué par la surface externe et par la porosité supplémentaire dans les zéolithes hiérarchiques (NA et LL), ces zéolithes ont été caractérisées en termes de quantité et de qualité de la surface externe par différentes techniques de caractérisation (diffraction des rayons X, adsorption de N2, porosimétrie, microscopie, infrarouge et résonance magnétique nucléaire). L'adsorption et la diffusion des xylènes ont été évaluées par thermogravimétrie et par batch, en phase gazeuse et liquide, respectivement. Les expériences réalisées en phase liquide permettent d’observer une amélioration importante de la diffusion des xylènes dans les zéolithes hiérarchiques. Néanmoins, une perte significative de la para-sélectivité dans les zéolites BaX hiérarchiques est observée par rapport aux zéolites BaX conventionnelles. L'étude de la diffusion en phase gazeuse a permis d'identifier des barrières de surface, qui sont absentes en phase liquide. Cela peut indiquer qu’à forte concentration , le passage des molécules à travers la surface est moins perturbé. Ceci renforce l'intérêt d’utiliser les zéolithes hiérarchiques pour la séparation des xylènes qui est opérée en phase liquide / The performance of xylene separation processes using nanoporous adsorbents is related to both the transport and selectivity properties of the used faujasite zeolites (BaX). Conventional zeolites exhibit a large volume of micropores and a good selectivity to paraxylene (px). However, intracrystalline diffusion is a slow process which limits the efficiency of the zeolites. Therefore, the use of hierarchical zeolites has been proposed as an alternative to improve transport properties by the introduction of an additional porous network. In this thesis, two types of BaX hierarchical zeolites are considered: Nanoparticles aggregates (NA - aggregates of small particles with mesopores between them) and Layer-like zeolite (LL - array of zeolite layers, with the presence of inter and intra-layers mesopores). In order to better understand the role played by the external surface and by the additional porosity in hierarchical zeolites (NA and LL), these zeolites were characterized in terms of quantity and quality of the external surface by the application of different characterization techniques (X-ray diffraction, N2 adsorption, porosimetry, microscopy, infrared and nuclear magnetic resonance). The xylene adsorption and diffusion were evaluated in gas and liquid phase, by means of thermogravimetry and batch experiments, respectively. Through the experiments in liquid phase, it is noticed that the xylene diffusion in hierarchical zeolites is considerably improved. On the other hand, a significant loss in px-selectivity in hierarchical BaX zeolites is observed compared to conventional BaX zeolites. The study of diffusion in gas phase allowed the identification of surface barriers, which are not present in the liquid phase. This may be an indication that, when the concentration around the surface is large (liquid phase), the passage of molecules across the surface is less/not disturbed. This reinforces the interest of using hierarchical zeolite for xylene separation which is carried out in liquid phase

Depuis plusieurs années, IFPEN développe des adsorbants à base de zéolithe faujasite pour le procédé de séparation des xylènes. Dans ce cadre, cette thèse a permis de rationaliser les origines de la sélectivité des isomères du xylène dans les zéolithes faujasites. Pour ce faire, une nouvelle approche est proposée. L'objectif est d'établir un modèle à la fois explicatif et prédictif qui permet de relier la sélectivité à un certain nombre de paramètres caractéristiques du système, appelés descripteurs. Après la proposition d'un plan d'expériences contenant une soixantaine d'adsorbants, leur préparation et leur test étaient effectués en utilisant des outils adéquats automatisés et parallélisés. L'analyse statistique descriptive faite sur l'ensemble des 43 propriétés d'adsorption évaluées a révélé l'existence de 4 différentes classes d'adsorbants. L'étape de construction du modèle était précédée par l'identification et le calcul des descripteurs. Ceux qui sont retenus caractérisent, essentiellement, l'état de confinement responsable de la sélectivité au sein de la zéolithe. On cite la taille des cations des sites II, l'occupation des sites III ou encore la saturation des sites II. Deux méthodes statistiques étaient utilisées pour construire les relations structures-propriétés. Tout d'abord, la régression linéaire multiple avec comme variables explicatives les 3 descripteurs cités. Le modèle explicatif retenu prédit avec un coefficient de corrélation R² de 0,78. Aussi, l'analyse discriminante était utilisée. Ces mêmes 3 descripteurs ont servi à prédire l'affectation des adsorbants dans les 4 classes identifiées avec un pourcentage de prédiction total de 76% / For several years, IFPEN develops based faujasite adsorbents for the xylene separation process. In this context, this thesis allowed to streamline the selectivity origins of xylene isomers in faujasite zeolites. To do it, a new approach is proposed. The objective is to establish, at the same time, an explanatory and predictive model which allows to relate the selectivity to a number of characteristic parameters of the system, called descriptors. After the proposal of an experimental design containing about sixty adsorbents, their preparation and their test were made by using automated and paralleled adequate tools. A descriptive statistical analysis made on 43 evaluated adsorption properties revealed the existence of 4 various classes of adsorbents. The stage of the model construction was preceded by the identification and the calculation of descriptors. Those who are retained characterize, essentially, the confinement state responsible for the selectivity within the zeolite. We quote the sites II cations size, the sites III occupation or still the sites II saturation. Two statistical methods were used to build the structures-properties relationship. First, a multiple linear regression with, as predictive variables, the 3 quoted descriptors. The retained explanatory model predicts with a correlation coefficient R² = 0,78. So, the discriminant analysis was used. The same 3 descriptors served to predict the affectation of adsorbents in the 4 identified classes with a total prediction percentage of 76 %

La séparation des C8 aromatiques par Lit Mobile Simulé (LMS) permet d'obtenir du paraxylène (PX) pur. Les autres composés du mélange sont recyclés dans un réacteur afin d'être isomérisés puis séparés à nouveau. La charge du LMS est composée à environ 75% par ce flux de recyclage. L'intégration de la réaction dans le LMS, réalisée en intercalant des réacteurs d'isomérisation entre les lits d'adsorbant de la zone 3 (procédé LMS Réactif, LMSR), doit permettre une réduction de ce flux de recyclage.L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie d'étude des procédés de type Lit Mobile Simulé (LMS) et Lit Mobile Simulé Réactif (LMSR) basée sur :-un outil expérimental simplifié : le pilote One-column réactif (OCR)-des simulateurs One-column réactif ou non qui seront validés par les résultats expérimentaux du pilote-des simulateurs LMS et LMSR permettant d'accéder aux résultats des procédés industriels.Les simulations de One-column (OC) montrent une bonne sensibilité aux paramètres clés de la séparation des C8 aromatiques (sélectivité PX/EB et diffusion intracristalline). Les résultats expérimentaux font ressortir des difficultés importantes à mettre en œuvre le OC expérimentalement. Plusieurs hypothèses sont exposées pour expliquer les résultats obtenus mais les difficultés rencontrées limitent, en l'état, l'utilisation du pilote pour l'étude de la séparation (réactive ou non) des C8 aromatiques.L'étude du LMSR effectuée par simulation montre l'importance du nombre et de l'emplacement des réacteurs ainsi que de l'intégration du LMSR dans la boucle de production de PX. L'usage du LMSR pour la production de PX permet une réduction importante du débit de recyclage / Today, pure paraxylene (PX) is mainly obtained from a mix of C8 aromatics by a separation process based on adsorption: the Simulated Moving Bed (SMB). The other components of the blend are sent to an isomerisation reactor and are recycled to the SMB. 75% of the SMB feed flow rate come from this recycle flow. Coupling reaction and separation by inserting isomerisation reactors between the adsorption beds of the third zone (Simulated Moving Bed Reactor, SMBR) should allow a reduction of this recycling flow rate.The main objective of this thesis is to develop a new methodology for studying SMB and SMBR processes based on:- a simplify experimental tool : the One-column reactive (OCR) pilot unit- simulators of the OCR which will be validated by the experimental results obtain on the pilot unit- simulators of SMB and SMBR processes which give access to industrial processes results.Simulation results show that OC system seem to be sensitive to key parameters of C8 aromatics separation (PX/EB selectivity and micropore diffusivity). Results on the pilot unit highlight the difficulties to implement an experimental OC. Hypothesis are given to explain those results but, without modification, OCR pilot unit cannot be used to study xylene separation (with or without reaction).SMBR study done by simulation shows the impact of the placement and the number of reactors. Integration of SMBR in the global PX production scheme is also essential. SMBR allows an important reduction of recycling flow rate (up to 50%).