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Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet.

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Présentation au sujet: "Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet."— Transcription de la présentation:

1 Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F juin 2007 Carry-le-Rouet C. Wylock (1), P. Colinet (1), T. Cartage (2), B. Haut (1) (1) Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles (2) Solvay SA

2 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Plan de présentation Introduction Modèle du couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant Modèle du transfert bulle-liquide Dispositifs expérimentaux Validation du modèle de couplage transfert-réactions Validation du modèle de transfert bulle-liquide Conclusions

3 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Plan de présentation Introduction Modèle du couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant Modèle du transfert bulle-liquide Dispositifs expérimentaux Validation du modèle de couplage transfert-réactions Validation du modèle de transfert bulle-liquide Conclusions

4 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Introduction Contexte : étude des colonnes BIR dans le cadre de lapproche multi-échelle Dans ce travail : étude du couplage transfert de matière-réactions chimiques lors de labsorption de CO 2 depuis une phase gazeuse dispersée (bulles), dans une saumure de NaHCO 3 et Na 2 CO 3, en absence de phase solide Etude également multi-échelle : Couche limite de diffusion (10 -5 m) Bulle unique (10 -3 m) Bulles dans un réacteur labo (10 -1 m)

5 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Plan de présentation Introduction Modèle du couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant Modèle du transfert bulle-liquide Dispositifs expérimentaux Validation du modèle de couplage transfert-réactions Validation du modèle de transfert bulle-liquide Conclusions

6 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle de couplage transfert de matière- réactions chimiques dans un liquide stagnant Absorption gaz-liquide de CO 2 par une solution aqueuse de NaHCO 3 -Na 2 CO 3 : présentation du système Interface gaz-liquide Phase gazeuse Phase aqueuse mélange NaHCO 3 /Na 2 CO 3 (pH~10) x=0 x Distance dans la direction perpendiculaire à linterface et orienté vers la phase liquide Equilibre gaz-liquide Diffusion Réactions chimiques

7 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle de couplage transfert de matière- réactions chimiques dans un liquide stagnant Bilans de matière sur une tranche infinitésimale du liquide stagnant équations de transport-réactions :

8 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle de couplage transfert de matière- réactions chimiques dans un liquide stagnant Bilans de matière sur une tranche infinitésimale du liquide stagnant équations de transport-réactions :

9 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle de couplage transfert de matière- réactions chimiques dans un liquide stagnant Bilans de matière sur une tranche infinitésimale du liquide stagnant équations de transport-réactions :

10 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle de couplage transfert de matière- réactions chimiques dans un liquide stagnant Bilans de matière sur une tranche infinitésimale du liquide stagnant équations de transport-réactions :

11 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle de couplage transfert de matière- réactions chimiques dans un liquide stagnant Bilans matières sur une tranche infinitésimale du liquide stagnant équations de transport-réactions : Avec : et

12 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle de couplage transfert de matière- réactions chimiques dans un liquide stagnant Profils de concentrations adimensionnalisés (FEMLAB) :

13 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle de couplage transfert de matière- réactions chimiques dans un liquide stagnant Analyse du modèle : propositions de simplifications Migration négligeable Inhomogénéité spatiale des paramètres physico-chimiques négligeable Phénomènes pas pris en compte par la suite HCO 3 -

14 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Plan de présentation Introduction Modèle du couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant Modèle du transfert bulle-liquide Dispositifs expérimentaux Validation du modèle de couplage transfert-réactions Validation du modèle de transfert bulle-liquide Conclusions

15 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle du transfert bulle-liquide Profil de [CO 2 ] Flux de CO 2 à linterface : Utilisation pour estimer le flux traversant linterface dune bulle de gaz en ascension dans la colonne Requiert une représentation de lécoulement autour de la bulle : représentation de Higbie

16 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle du transfert bulle-liquide Liquide vu comme une mosaïque déléments de liquide semi-infini régulièrement renouvelé bulle Paramètre : temps de contact t C t C 0,04s pour d bulle =5mm Flux moyen : Lélément de liquide senrichit

17 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Modèle du transfert bulle-liquide Recherche dune simplification du modèle Couplage du transport avec une réaction réversible du pseudo ordre 1 Un paramètre ajustable : k * Solution analytique pour le flux moyen :

18 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Ajustement de k * en comparant avec le flux calculé par le modèle non-simplifié et rapporté à la valeur de k 11 Hypothèse classique k *= k 11 : pas valide partout T=65°C p CO2 =1,2bar t C =0,04s k* ne correspond pas à k 11 partout Modèle du transfert bulle-liquide

19 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Plan de présentation Introduction Modèle du couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant Modèle du transfert bulle-liquide Dispositifs expérimentaux Validation du modèle de couplage transfert-réactions Validation du modèle de transfert bulle-liquide Conclusions

20 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Dispositifs expérimentaux Interféromètre Mach-Zehnder Saumure en contact avec CO 2 dans cellule expérimentale Observation du profil de [CO 2 ] se développant à linterface Validation du modèle de couplage transfert-réactions

21 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Plan de présentation Introduction Modèle du couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant Modèle du transfert bulle-liquide Dispositifs expérimentaux Validation du modèle de couplage transfert-réactions Validation du modèle de transfert bulle-liquide Conclusions

22 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Bullage de CO 2 pur dans la saumure Suivi du pH et de [CO 2 ] bulk en continu Validation du modèle de transfert bulle-liquide

23 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles V tot [CO 2 ] [OH - ] [HCO 3 - ] [CO 3 = ] G p CO2 Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Couplage du modèle de transfert bulle-liquide avec MATLAB pour calculer lévolution des concentrations dans la saumure au cours du temps [CO 2 ] t+ t [OH - ] t+ t [HCO 3 - ] t + t [CO 3 = ] t + t Au cours dun intervalle de temps t [CO2] t [OH - ] t [HCO3 - ] t [CO 3 = ] t V l p CO2 V g T CO2 SeSe Modèle du transfert bulle-liquide MATLAB

24 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Un paramètre ajustable : surface déchange bulle-liquide totale Se Comparaison des simulations et des résultats expérimentaux [CO2] t [OH - ] t [HCO3 - ] t [CO 3 = ] t V l p CO2 V g T CO2 SeSe

25 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Comparaison du pH au cours du temps T=25°C [NaHCO 3 ] t=0 = 10 g/kg [Na 2 CO 3 ] t=0 = 30 g/kg t C =0,02s p CO2 =1bar à 1dm 3 /min agitation à 180rpm Ajustement : Se =0,031 m 2

26 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Comparaison du CO 2 cumulé au cours du temps T=25°C [NaHCO 3 ] t=0 = 10 g/kg [Na 2 CO 3 ] t=0 = 30 g/kg t C =0,02s p CO2 =1bar à 1dm 3 /min agitation à 180rpm Ajustement : Se =0,031 m 2

27 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Plan de présentation Introduction Modèle du couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant Modèle du transfert bulle-liquide Dispositifs expérimentaux Validation du modèle de couplage transfert-réactions Validation du modèle de transfert bulle-liquide Conclusions

28 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Conclusions Modèle de couplage transfert de matière-réactions chimiques dans une couche de liquide stagnant Détermination de simplifications plausibles Intégré dans modèle du transfert bulle-liquide Modèle du transfert bulle-liquide Exploitation (quantification de sa sensibilité à ses paramètres) Recherche dun modèle simplifié valable mais sous certaines conditions Intégré dans modèle de cuve agitée Couche limite de diffusion (10 -5 m) Bulle unique (10 -3 m) Bulles dans un réacteur labo (10 -1 m)

29 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Conclusions Dispositifs expérimentaux mis au point pour les 2 niveaux dapproches Mach-Zehnder validation du modèle de couplage transfert-réactions Cuve agitée validation du modèle du transfert bulle-liquide (bonne comparaison des résultats avec paramètre correctement ajusté)

30 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles Merci de votre attention


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