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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
6èmes Journées Francophones sur les Réacteurs Gaz-Liquide et Gaz-Liquide-Solide
Marrakech, Maroc
11 mai 2012
Transferts,Interfaces &Procédés
Production de NaHCO3 raffiné
Schéma d’une colonne BIR
Transferts, Interfaces et ProcédésEcole Polytechnique de Bruxelles
Plateaux
Corps cylindrique
Dégazeur
Jambe de recirculation
Entrée gaz(azote N2 – dioxyde de carbone CO2)
Sortie gaz (N2 – CO2 résiduel)
Sortie suspension (liquide – bicarbonate de sodium NaHCO3 raffiné)
Entrée liquide (solution riche en carbonate CO3
=)
Réactions chimiques:CO2 + CO3
= + H2O 2HCO3-
Précipitation:Na+ + HCO3
- NaHCO3
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
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Production de NaHCO3 raffiné
Schéma du modèle filaire à compartiments
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Approche multi-échelle
Problème essentiellement multi -• phasiques : solide-liquide-gaz
• physiques : transferts de matière, quantités de mouvement, réactions chimiques, …
• échelles :
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5
20 m 10 cm
5 mm50 µm
Top-downBottom-up
Approche multi-échelle
Etudes • Théoriques
• Numériques
• Expérimentalesaux différentes échelles
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Charpentier, 2003 (IJCRE 1,A14)
Echelle de l’interface
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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 L)
– modèle de Higbie (transitoire avec temps de contact tC )Transferts, Interfaces et ProcédésEcole Polytechnique de Bruxelles
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Etude du couplage diffusion – réaction chimique• Résultats
– Pour une concentration donnée
– Flux de CO2 en fonction de la composition du liquide
Echelle de l’interface
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Echelle de la bulle
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Echelle de la bulle
Etude du couplage convection – diffusion – réaction chimique• Bulle sphérique – mouvement rectiligne
• Modèle 2D axisymétrique
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Echelle de la bulle
Bulle sphérique• Propre ou complètement contaminée
• Vitesse de transfert bulle-liquide
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Propre Complètement contaminé
Echelle de la bulle
Bulle sphérique• Comparaison avec modèles classiques 1D
1D validé pour bulle sphériqueTransferts, Interfaces et ProcédésEcole Polytechnique de Bruxelles
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Propre – Higbie avec Cont. – Film avec
Echelle de la bulle
Bulle ellipsoïdale propre ou sphérique partiellement contaminée
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Sphérique partiellement contaminéEllipsoïdale propre
Echelle de la bulle
Bulle ellipsoïdale en mouvement hélicoïdal• Etude numérique: influence du mouvement hélicoïdal
sur le Sherwood en absence de réaction
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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
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Echelle de l’essaim de bulles
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Echelle de l’essaim de bulles
Modélisation transfert entre population de bulles• Pour l’instant
– Proportionnel aux produits des fractions volumiques : B12
(Haut&Cartage 2005, CES 60 p.5937 ; Haut et al. 2004, CES 59 p. 5687)
– B ajusté expérimentalemento Par réoxygénationo Sur colonne pilote non équipée de jambes ni plateaux
• Perspectives: modèle "plus physique"
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Echelle du pilote
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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 ProcédésEcole Polytechnique de Bruxelles
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Dc
Dj
Hj
vLHp
Bp
1lB H cg Hp p
Echelle de la colonne industrielle
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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
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Modèle de colonne BIR
Schéma modèle à compartiments
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Modèle de colonne BIR
Résultats de simulation• Dynamique de la phase gazeuse
– Débit volumique– Fraction volumique
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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
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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 d’études nécessaires
+ Base physique des modèles, intégration des « cascades » de phénomènes modèle à haut pouvoir prédictif, versatile et robuste
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Transferts, Interfaces et ProcédésEcole Polytechnique de Bruxelles
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Merci de votre attention
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