Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de...

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

Service de Génie ChimiqueFaculté 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

Service de Génie ChimiqueFaculté 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

Service de Génie ChimiqueFaculté des Sciences Appliquées, Université Libre de Bruxelles

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 limitede diffusion

(10-5m)

Bulleunique(10-3m)

Bulles dans unréacteur labo

(10-1m)

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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

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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

Interfacegaz-liquide

Phase gazeuse

Phase aqueusemélange

NaHCO3/Na2CO3

(pH~10)

x=0x

- -2 3

- - 2-3 3 2

CO +OH HCO

HCO +OH CO +H O

2 2g lCO CO

Distance dans la direction perpendiculaire à l’interface et orienté vers la phase liquide

2CO

Equilibregaz-liquide

Diffusion Réactions chimiques

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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 :

2

- - -

- - -3 3 3

2-3

2 2

1CO

- -

-1 2OH OH OH

- -3 3 -

3 1 2HCO HCO HCO

2-3

CO

CO CO

OH OHOH

HCO HCOHCO

CO CO

D rt x x

FD z D r r

t x x RT

FD z D r r

t x x RT

Dt x

= =3 3

+ + +

2-3 =

3 2CO CO

+ +

+

Na Na Na

CO

Na NaNa

Fz D r

x RT

FD z D

t x x RT

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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 :

2

-

-3

- -

- -3

2-3

3

2

1

-

-1 2

2

CO

-

OH

-3

HCO

OH OH

-3 -

3 1 2HCO HCO

2

CO

-3

CO

OHOH

HCOHCO

CO

CO

OH

HCO

CO

rt x

F

Dx

D z D r rt x RT

Fz D r r

t x RT

t

x

x

Dx

D

+

= =3 3

+ +

2-3 =

3 2CO CO

+

+

N

+

N a Na a

CO

NaNa

Na

Fz D r

RT

Fz D

t x Rx T

x

D

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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 :

2

-

-3

- -

- -3 3

2-3

2 2

1CO

- -

1 2-

OH OH

-3

OH

- -3 3

1 2HCO

2-

HCO HC

C

O

3

O

CO CO

OH OH

HCO

OH

HHCO

CO C

CO

O

D rt x x

D r rF

z DRT

Fz D

RT

t x x

D r rt x x

Dt x

+

= =3 3

+ +

2-3 =

3CO CO

+

N

2

+ +

Na a Na

Na

CO

NN

aa

rx

Dt x x

Fz D

RT

Fz D

RT

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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 :

2

- - -

- - -3 3 3

2-3

1

1 2

2 2

CO

- -

-

OH OH OH

- -3 3 -

3HCO HCO 1HCO

2-3

CO

2

CO CO

OH OHOH

HCO HCOHCO

CO CO

Dt x x

FD z D

t x x RT

FD z D

t x x RT

Dt x

r

r r

r r

= =3 3

+ + +

2-3 =

3CO CO

+ +

+

Na Na N

2

a

CO

Na NaNa

Fz D

x RT

FD z D

t x x RT

r

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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

-3- - -CO +OH HCO1 11 2 2 3

1

2-3- - - - 2-HCO +OH CO +H O2 21 3 3 3 2

2

HCOCO OH

COHCO OH

r kK

r kK

A A

2

A A

A

A

i i

i i

i

i

ii

z DRT xF z D

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Modèle de couplage transfert de matière-réactions chimiques dans un liquide stagnant

Profils de concentrations adimensionnalisés (FEMLAB) :

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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-

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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

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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

2 2

2

CO CO

CO( ) (0, )t D t

x

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Modèle du transfert bulle-liquide

Liquide vu comme une mosaïque d’éléments de liquide semi-infini régulièrement renouvelé

bulle

Paramètre : temps de contact tC

tC ≈ 0,04s pour dbulle=5mm

Flux moyen : 2

2

2COCO ,

0

0,

COCt

Higbie

Cx t

Ddt

t x

L’élément de liquide s’enrichit

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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 :

2

* *2*2 2 * -

2 22CO

CO COOH CO CO

t bulk bulkD k

x

2

2

* -

* COCO , 2 2

* -

* -OH* - * -

CO COOH

OH1OH erf OH

2C

bulk

Higbiei bulk

bulk

k tbulkCbulk bulk

C C

D

k

kk k t e

t t

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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°CpCO2=1,2bartC=0,04s

k* ne correspond pas à k11 partout

Modèle du transfert bulle-liquide

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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

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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

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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

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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 continuValidation du modèle de transfert bulle-liquide

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Vtot

[CO2]

[OH-]

[HCO3-]

[CO3=]

G

pCO2

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

2 2CO COe .S TctN

[CO2]t+t

[OH-]t+t

[HCO3-]t +t

[CO3=]t +t

- -2 3

= - -3 2 3

CO +OH HCO

CO +H O HCO OH

Au cours d’un intervalle de temps t

[CO2]t

[OH-]t

[HCO3-]t

[CO3=]t

Vl

pCO2

VgTCO2

Se

2 2CO COT ( , )t n t t

Modèle du transfert bulle-liquide

MATLAB

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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

VgTCO2

Se

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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/kgtC=0,02spCO2=1bar à 1dm3/minagitation à 180rpm

Ajustement :Se=0,031 m2

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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/kgtC=0,02spCO2=1bar à 1dm3/minagitation à 180rpm

Ajustement :Se=0,031 m2

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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

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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 limitede diffusion

(10-5m)

Bulleunique(10-3m)

Bulles dans unréacteur labo

(10-1m)

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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)

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Merci de votre attention