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
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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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Merci de votre attention