Contribution à l’étude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de l’absorption de CO2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 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

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 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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Introduction Contexte : étude des colonnes BIR dans le cadre de l’approche multi-échelle Dans ce travail : étude du couplage transfert de matière-réactions chimiques lors de l’absorption de CO2 depuis une phase gazeuse dispersée (bulles), dans une saumure de NaHCO3 et Na2CO3, en absence de phase solide Etude également multi-échelle : Couche limite de diffusion (10-5m) Bulle unique (10-3m) Bulles dans un réacteur labo (10-1m) Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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Modèle de couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant Absorption gaz-liquide de CO2 par une solution aqueuse de NaHCO3-Na2CO3 : présentation du système Interface gaz-liquide Phase gazeuse Phase aqueuse mélange NaHCO3/Na2CO3 (pH~10) Equilibre gaz-liquide Diffusion Réactions chimiques x x=0 Distance dans la direction perpendiculaire à l’interface et orienté vers la phase liquide 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 : 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 : 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 : 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 : 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 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) : 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 HCO3- Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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Modèle du transfert bulle-liquide Profil de [CO2]  Flux de CO2 à l’interface : Utilisation pour estimer le flux traversant l’interface d’une bulle de gaz en ascension dans la colonne Requiert une représentation de l’écoulement autour de la bulle : représentation de Higbie Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

Modèle du transfert bulle-liquide Liquide vu comme une mosaïque d’éléments de liquide semi-infini régulièrement renouvelé bulle L’élément de liquide s’enrichit Paramètre : temps de contact tC tC ≈ 0,04s pour dbulle=5mm => Faut se donner tau ou s = paramètre de résolution lié à l’hydrodynamique Flux moyen dépend bien sur du choix de la fonction de distribution Flux moyen : Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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

Modèle du transfert bulle-liquide Ajustement de k* en comparant avec le flux calculé par le modèle non-simplifié et rapporté à la valeur de k11 Hypothèse classique k*= k11 : pas valide partout T=65°C pCO2=1,2bar tC=0,04s  k* ne correspond pas à k11 partout Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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Dispositifs expérimentaux Interféromètre Mach-Zehnder Saumure en contact avec CO2 dans cellule expérimentale Observation du profil de [CO2] se développant à l’interface Validation du modèle de couplage transfert-réactions Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Bullage de CO2 pur dans la saumure Suivi du pH et de [CO2]bulk en continu Validation du modèle de transfert bulle-liquide Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Couplage du modèle de transfert bulle-liquide avec MATLAB pour calculer l’évolution des concentrations dans la saumure au cours du temps Modèle du transfert bulle-liquide Au cours d’un intervalle de temps t Vtot [CO2] [OH-] [HCO3-] [CO3=] G pCO2 [CO2]t [OH-]t [HCO3-]t [CO3=]t Vl pCO2 Vg TCO2 Se [CO2]t+t [OH-]t+t [HCO3-]t +t [CO3=]t +t MATLAB Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Un paramètre ajustable : surface d’échange bulle-liquide totale Se Comparaison des simulations et des résultats expérimentaux [CO2]t [OH-]t [HCO3-]t [CO3=]t Vl pCO2 Vg TCO2 Se 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 [NaHCO3]t=0= 10 g/kg [Na2CO3]t=0= 30 g/kg tC=0,02s pCO2=1bar à 1dm3/min agitation à 180rpm Ajustement : Se=0,031 m2 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

Dispositifs expérimentaux Réacteur à cuve agitée isotherme Comparaison du CO2 cumulé au cours du temps T=25°C [NaHCO3]t=0= 10 g/kg [Na2CO3]t=0= 30 g/kg tC=0,02s pCO2=1bar à 1dm3/min agitation à 180rpm Ajustement : Se=0,031 m2 Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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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 d’un modèle simplifié  valable mais sous certaines conditions Intégré dans modèle de cuve agitée Couche limite de diffusion (10-5m) Bulle unique (10-3m) Bulles dans un réacteur labo (10-1m) Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

Conclusions Dispositifs expérimentaux mis au point pour les 2 niveaux d’approches 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) Service de Génie Chimique Faculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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