Modélisation de l’absorption de CO2 dans une colonne à bulles industrielle : approche intégrée de l’interface bulle-liquide à la colonne C. Wylock, D. Mikaelian, A. Larcy, T. Cartage, B. Haut Transferts, Interfaces & Procédés 6èmes Journées Francophones sur les Réacteurs Gaz-Liquide et Gaz-Liquide-Solide Marrakech, Maroc 11 mai 2012

Production de NaHCO3 raffiné Schéma d’une colonne BIR Sortie gaz (N2 – CO2 résiduel) Entrée liquide (solution riche en carbonate CO3=) Plateaux Réactions chimiques: CO2 + CO3= + H2O  2HCO3- Dégazeur Corps cylindrique Précipitation: Na+ + HCO3-  NaHCO3 Jambe de recirculation Sortie suspension (liquide – bicarbonate de sodium NaHCO3 raffiné) Entrée gaz (azote N2 – dioxyde de carbone CO2) Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

Production de NaHCO3 raffiné Caractéristiques Etape limitante: transfert bulle-liquide de CO2 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 CO2 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

Production de NaHCO3 raffiné Schéma du modèle filaire à compartiments Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

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

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

Echelle de l’interface Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

Echelle de l’interface Etude du couplage diffusion – réaction chimique Domaine 1D Couplage avec hydrodynamique autour de la bulle: modèle de film (stationnaire avec épaisseur dL) modèle de Higbie (transitoire avec temps de contact tC ) Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

Echelle de l’interface Etude du couplage diffusion – réaction chimique Résultats Pour une concentration donnée Flux de CO2 en fonction de la composition du liquide Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

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

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

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

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

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

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

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 d’étude expérimentale via ombrographie Dynamique et morphologie Temps de contact, aire interfaciale Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

Echelle de l’essaim de bulles Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

Echelle de l’essaim de bulles Modélisation transfert entre population de bulles Pour l’instant Proportionnel aux produits des fractions volumiques : Be1e2 (Haut&Cartage 2005, CES 60 p.5937 ; Haut et al. 2004, CES 59 p. 5687) B ajusté expérimentalement Par réoxygénation Sur colonne pilote non équipée de jambes ni plateaux Perspectives: modèle "plus physique" Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

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

Echelle du pilote Vitesse ascensionnelle induite par jambes de recirculation Etude théorique: analyse dimensionnelle  Etude expérimentale PIV maquette colonne 1/5  identification de a et d vL Hj Dj Dc Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

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

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

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

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

Modèle de colonne BIR Résultats de simulation Dynamique du transfert de CO2 Titres molaires en CO2 Vitesse de transfert de CO2 Globalt , 50% du CO2 injecté est absorbé et transformé en NaHCO3  OK observations Transferts, Interfaces et Procédés Ecole Polytechnique de Bruxelles

Conclusion Modèle à compartiments Approche multi-échelle 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 d’études 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

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