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Modélisation de labsorption de CO 2 dans une colonne à bulles industrielle : approche intégrée de linterface bulle- liquide à la colonne C. Wylock, D.

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1 Modélisation de labsorption de CO 2 dans une colonne à bulles industrielle : approche intégrée de linterface bulle- liquide à la colonne C. Wylock, D. Mikaelian, A. Larcy, T. Cartage, B. Haut 6 èmes Journées Francophones sur les Réacteurs Gaz-Liquide et Gaz- Liquide-Solide Marrakech, Maroc 11 mai 2012 Transferts, Interfaces & Procédés

2 Production de NaHCO 3 raffiné Schéma dune colonne BIR Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles Plateaux Corps cylindrique Dégazeur Jambe de recirculation Entrée gaz (azote N 2 – dioxyde de carbone CO 2 ) Sortie gaz (N 2 – CO 2 résiduel) Sortie suspension (liquide – bicarbonate de sodium NaHCO 3 raffiné) Entrée liquide (solution riche en carbonate CO 3 = ) Réactions chimiques: CO 2 + CO 3 = + H 2 O 2HCO 3 - Précipitation: Na + + HCO 3 - NaHCO 3

3 Production de NaHCO 3 raffiné Caractéristiques Etape limitante: transfert bulle-liquide de CO 2 Temps absorption ~ Temps réactions chimiques Deux populations de bulles (régime hétérogène): –Petites bulles ellipsoïdales en mouvement hélicoïdal (2-6 mm) Essentiel du transfert au travers de ces bulles –Grandes bulles calottes sphériques (5-8 cm) « Réservoir » à CO 2 Echanges de gaz entre populations par coalescence-rupture Effets liés au design de la colonne : –Vitesse ascensionnelle induite par jambes de recirculation –Solide en bas affecte équilibre grandes bulles-petites bulles –By-pass de gaz (dégazeurs aux jambes de recirculation) –Plateaux : «brouillage» par coalescence-rupture intense Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 3

4 Production de NaHCO 3 raffiné Schéma du modèle filaire à compartiments Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

5 Approche multi-échelle Problème essentiellement multi - phasiques : solide-liquide-gaz physiques : transferts de matière, quantités de mouvement, réactions chimiques, … échelles : Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 5 20 m 10 cm 5 mm 50 µm Top-down Bottom-up

6 Approche multi-échelle Etudes Théoriques Numériques Expérimentales aux différentes échelles Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 6 Charpentier, 2003 (IJCRE 1,A14)

7 Echelle de linterface Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 7

8 Echelle de linterface Etude du couplage diffusion – réaction chimique Domaine 1D Couplage avec hydrodynamique autour de la bulle: –modèle de film (stationnaire avec épaisseur L ) –modèle de Higbie (transitoire avec temps de contact t C ) Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 8

9 Etude du couplage diffusion – réaction chimique Résultats –Pour une concentration donnée –Flux de CO 2 en fonction de la composition du liquide Echelle de linterface Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 9

10 Echelle de la bulle Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 10

11 Echelle de la bulle Etude du couplage convection – diffusion – réaction chimique Bulle sphérique – mouvement rectiligne Modèle 2D axisymétrique Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 11

12 Echelle de la bulle Bulle sphérique Propre ou complètement contaminée Vitesse de transfert bulle-liquide Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 12 Propre Complètement contaminé

13 Echelle de la bulle Bulle sphérique Comparaison avec modèles classiques 1D 1D validé pour bulle sphérique Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 13 Propre – Higbie avecCont. – Film avec

14 Echelle de la bulle Bulle ellipsoïdale propre ou sphérique partiellement contaminée Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 14 Sphérique partiellement contaminé Ellipsoïdale propre

15 Echelle de la bulle Bulle ellipsoïdale en mouvement hélicoïdal Etude numérique: influence du mouvement hélicoïdal sur le Sherwood en absence de réaction Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 15

16 Echelle de la bulle Bulle ellipsoïdale en mouvement hélicoïdal Etude numérique: influence du mouvement hélicoïdal sur le Sherwood en absence de réaction Alimenté par résultats détude expérimentale via ombrographie Dynamique et morphologie Temps de contact, aire interfaciale Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 16

17 Echelle de lessaim de bulles Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 17

18 Echelle de lessaim de bulles Modélisation transfert entre population de bulles Pour linstant –Proportionnel aux produits des fractions volumiques : B 1 2 (Haut&Cartage 2005, CES 60 p.5937 ; Haut et al. 2004, CES 59 p. 5687) –B ajusté expérimentalement o Par réoxygénation o Sur colonne pilote non équipée de jambes ni plateaux Perspectives: modèle "plus physique" Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 18

19 Echelle du pilote Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 19

20 Echelle du pilote Vitesse ascensionnelle induite par jambes de recirculation Etude théorique: analyse dimensionnelle Etude expérimentale PIV maquette colonne 1/5 identification de et Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 20 DcDc DjDj HjHj vLvL

21 Echelle de la colonne industrielle Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 21

22 Echelle de la colonne industrielle CFD de la colonne Fraction de petite bulle et de grande bulle empruntant le dégazeur évaluée par modèle 3D instationnaire Euler-Euler Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 22

23 Modèle de colonne BIR Schéma modèle à compartiments Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

24 Modèle de colonne BIR Résultats de simulation Dynamique de la phase gazeuse –Débit volumique –Fraction volumique Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 24

25 Modèle de colonne BIR Résultats de simulation Dynamique du transfert de CO 2 –Titres molaires en CO 2 –Vitesse de transfert de CO 2 –Global t, 50% du CO 2 injecté est absorbé et transformé en NaHCO 3 OK observations Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 25

26 Conclusion Modèle à compartiments Opérationnel Reproduit bien le transfert bulle-liquide A optimiser pour les concentrations et la précipitation A valider industriellement Approche multi-échelle - Nécessite une description détaillée des phénomènes et de leurs interactions beaucoup détudes nécessaires + Base physique des modèles, intégration des « cascades » de phénomènes modèle à haut pouvoir prédictif, versatile et robuste Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 26

27 Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles 27 Merci de votre attention


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