30
Contribution à l’étude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de l’absorption de CO 2 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

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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

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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

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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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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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