Captage du CO2 par les amines demixantes

Carbon dioxyde capture by demixing amines

• Auteur / Autrice : Fatiha Dergal
• Direction : Ilham Mokbel, Latifa Negadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 14/11/2013
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Université Abou Bekr Belkaid (Tlemcen, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Analytiques
• Jury : Président / Présidente : Christelle Goutaudier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ilham Mokbel, Latifa Negadi, Ahmed Aït-Kaci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Brice Bouyssière, Christophe Coquelet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équilibre liquide-vapeur

Démixtion

Amines

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

CO2

Amines

Démixtion

Isothermes d’absorption

Équilibres liquide-vapeur

Modélisation

CO2

Amines

Demixing

Absorption isotherms

Vapor-liquid equilibrium

Modelling

Résumé

Actuellement, le captage du CO2 par lavage aux amines est la technique la plus avancée et la plus adaptée pour répondre au besoin de tous les types d'installations industrielles émettrices de CO2. Cependant, cette technique présente un certains nombre de problèmes. Le problème principal est la forte énergie associée à la régénération du solvant qui rend le procédé de captage très couteux. Afin de réduire ce coût, différents procédés en rupture ont été étudiés dans le cadre du FUI « ACACIA » regroupant plusieurs entreprises (IFPEN, RHODIA/SOLVAY, ARKEMA, LAFARGE, Gaz de France, VEOLIA) et quatre laboratoires académiques (LMOPS, LSA, LTIM (ex-LTSP), IRCELyon): - Captage par formation d'hydrates de gaz . - Utilisation d'enzymes conduisant à des procédés moins énergivores. - Utilisation de « multiamines » en vue d'accroitre la quantité de CO2 absorbé ou d'amines « démixantes » permettant de régénérer uniquement la phase riche en CO2 (d'où minimisation de l'énergie de régénération). Notre contribution à ce consortium a été l'étude de sept amines ou multiamines démixantes : - Trois amines commerciales (la N-Méthylpipéridine, la 2-Méthylpipéridine et la molécule A). - Quatre « multiamines » de structures confidentielles synthétisées par LMOPS représentées par les sigles B, D, E, F. Le phénomène de démixtion est influencé par de nombreux facteurs tels que la température, le taux de charge et la concentration en amine de la solution. La compréhension et l'explication de ce phénomène est l'un des objectifs de cette thèse. La donnée essentielle qui permet d'évaluer les performances potentielles d'une solution absorbante est l'isotherme d'absorption du CO2. Nous avons déterminé ces isothermes aux températures proches de l'absorbeur et du régénérateur (respectivement 40°C et 80°C) pour différentes concentrations en amine (26%, 30%, 50% et 66%) et pour des pressions en CO2 variant entre 10 kPa et 200 kPa. La modélisation thermodynamique des isothermes d'absorption permet de déduire les paramètres opératoires importants du procédé qui mettraiten ouvre ces amines (capacité cyclique, enthalpie moyenne de réaction, débit de solvant…etc.) permettant ainsi le dimensionnement de l'unité d'absorption et l'estimation de sa consommation énergétique. L'étude expérimentale a été complétée par la détermination des équilibres liquide-vapeur des amines pures et des différentes solutions aqueuses d'amines au moyen de la méthode statique. Ces données permettent de prévoir les pertes possibles en amine dans le régénérateur donc le coût des appoints dans le procédé. Parmi les sept amines étudiées, l'amine nommée « F » est un bon candidat pour une application industrielle économe en énergie (bonne capacité d'absorption, faible énergie de régénération, faible volatilité)

Nowadays, CO2 capture by amines solvents is the most advanced technology to reduce CO2 industrial emissions. However, this technology presents some concerns. The major problem of this process, using monoethanolamine (MEA), is the high energy needed to regenerate the solvent and makes the process of CO2 capture very expensive. In order to reduce the high cost associated to the energy of regeneration, various breakthrough processes have been studied within the framework of FUI «ACACIA» which include several companies (IFPEN, RHODIA/SOLVAY, ARKEMA, LAFARGE, Gas of France, VEOLIA) and four academic laboratories (LMOPS, LSA, LTIM (ex-LTSP), IRCELyon): - CO2 Capture with gas hydrate formation. - Use of enzymes leading to process of less energy-consuming. - Use of multiamines to increase the quantity of CO2 absorbed or demixing amines which only allow the regeneration of the rich phase in CO2 (low cost for regeneration energy). Our contribution into the consortium has been the study of seven demixing amines or multiamines: - Three commercial amines (the N-Methylpiperidine, 2-Methylpiperidine and the molecule A). - Four « multiamines » with confidentiel structures synthesized by LMOPS and denoted by the initials B, D, E, F. The demixing phenomenon is influenced by many factors such as temperature, the loading of the acid gas and the amine concentration of the solution. The understanding of this phenomenon is one of the objectives of this thesis. The essential data to estimate the potentials efficiency of solvent to capture CO2 is the isotherm of absorption. We have determined these isotherms at temperatures close to the absorber and regenerator units (respectively 40°C and 80°C) at different concentrations of amine ((26%, 30%, 50% and 66%) and pressures of CO2varying between 10 kPa et 200 kPa. The thermodynamic modelling of the isotherms of absorption allows to deduce important operating parameters of the process (cyclic capacity, average enthalpy of reaction, solvent flow...) and to dimension the absorption unit and to estimate its energy consumption. The experimental study has been completed by the determination of vapor-liquid equilibrium of pure amines and of different aqueous solutions of amines with the static method. These data allow anticipating the possible loss in amine in the regenerator. Among the studied amines, the one denoted with the initial « F » is a potential candidate for an industrial application energy-efficient (good CO2 absorption capacity, low regeneration energy, low volatility)