Modélisation de labsorption de CO 2 dans une colonne à bulles industrielle : approche intégrée de linterface bulle- liquide à la colonne C. Wylock, D

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


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


3


Schéma du modèle filaire à compartiments


Approche multi-échelle

Problème essentiellement multi -• phasiques : solide-liquide-gaz

• physiques : transferts de matière, quantités de mouvement, réactions chimiques, …

• échelles :


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


7


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

8

Etude du couplage diffusion – réaction chimique• Résultats

– Pour une concentration donnée

– Flux de CO2 en fonction de la composition du liquide



9

Echelle de la bulle


10

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


19

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

20

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



Résultats de simulation• Dynamique de la phase gazeuse

– Débit volumique– Fraction volumique


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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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Merci de votre attention

Documents

Modélisation de labsorption de CO 2 dans une colonne à bulles industrielle : approche intégrée de linterface bulle- liquide à la colonne C. Wylock, D