Modélisation de contacteurs membranaires à fibres creuses : application à la capture du dioxyde de carbone en postcombustion

Modelling of Hollow Fibre Membrane Contactors : Application to Post-combustion Carbon Dioxide Capture

• Auteur / Autrice : David Ricardo Albarracin Zaidiza
• Direction : Sabine Rode, Bouchra Belaïssaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 02/02/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Éric Favre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Baudot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Erwan McAdam, Dorothea Catharina Nijmeijer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colonnes à garnissage

Modèles mathématiques

Extraction (chimie)

Séparation par membranes

Membranes (technologie)

Gaz de combustion

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Mots clés libres

Captage dioxyde de carbone

Contacteur membranaires à fibre creuses

Intensification de procédés

Absorption

Stripage

Carbon Dioxide Capture

Hollow Fiber Membrane Contactors

Process Intensification

Absorption

Stripping

Résumé

La capture du dioxyde de carbone (CO2) en postcombustion est une stratégie importante pour la limitation de l’effet de serre. Le procédé de référence est l’absorption du CO2 dans des solutions aqueuses aminées, suivie par une étape de stripage du solvant. La technologie mature associée à ce procédé est la colonne à garnissage. Toutefois, afin de rendre le procédé plus attractif, il convient de l’intensifier en réduisant le volume des équipements et le coût énergétique associé. Les contacteurs membranaires à fibres creuses (CMFC) constituent une alternative aux colonnes à garnissage. Les CMFC permettent de développer d’importantes aires spécifiques conduisant potentiellement à une intensification des transferts gaz-liquide. Ainsi, l’utilisation des CMFC réduirait la taille des installations, mais aussi diminuerait la consommation énergétique par la diminution de la quantité de vapeur de stripage. Cependant, l’utilisation de CMFC dans les étapes d’absorption et de stripage dans des conditions industrielles a été peu étudiée. Afin de combler cette lacune, des modèles à différents niveaux de complexité : monodimensionnel, bidimensionnel, isotherme et adiabatique ont été développés, comparés et validés. Ceci afin d’identifier le niveau de complexité approprié. Les résultats de simulation ont mis en évidence le potentiel d’intensification des CMFC dans l’étape d’absorption et aussi de stripage, se traduisant par une réduction en volume de 4 à 10 fois par rapport aux colonnes à garnissage. Néanmoins, les CMFC peuvent difficilement réduire le coût énergétique du procédé étant donné que l’étape de stripage fonctionne dans des conditions très proches de la limite thermodynamique

Post-combustion CO2 capture (PCC) is an important strategy in mitigating greenhouse effect. The reference process in PCC is the CO2 absorption into amine aqueous solutions, followed by the regeneration (or stripping) of the solvent. The robustness of packed columns makes it the standard technology for both absorption and stripping steps. However, the treatment of large quantities of flue gases requires itself equipment of a large size. Hollow fibre membrane contactors (HFMC) are considered as one of the most promising strategies for intensified CO2 absorption process, due to their significantly higher interfacial area than that of packed columns, allowing to reduce the equipment size. In addition, this would reduce the energy penalty of the process by reducing the required amount of stripping steam. However, despite the potential advantages of HFMC, very few investigations have studied implementing this technology for PCC within an industrial framework. To fill this lack, the performances of both absorption and stripping steps using HFMC under industrial conditions were estimated by modelling and simulation. To identify the optimal modelling strategy, transfer models with different levels of complexity were developed ranging from one-dimensional isothermal single-component to two-dimensional adiabatic multi-component. Simulation results of both absorption and stripping steps revealed that, compared to traditional packed columns, contactor volume reduction factors comprised between 4 and 10 might be achieved using HFMC. However, since the stripping operating conditions are very close to thermodynamic equilibrium, HFMC can hardly reduce the energy consumption of the process