Etude des transitions contrôlées entre phases Solide-Vapeur de CO2 à partir d’un écoulement contenant du méthane en vue de l’épuration du biogaz

Controlled Solid-Vapour CO2 phase transitions in methane rich streams applied to biogas upgrading

• Auteur / Autrice : Sylvain Haddad
• Direction : Chakib Bouallou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et procédés
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Broseta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chakib Bouallou, Jean-Philippe Passarello, Rodrigo Rivera Tinoco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Mabille, Carolina Font Palma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Biogaz

Cryotechnique

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Mots clés libres

Cryogénie

Captage CO2

Récupération du froid

Sublimation contrôlée

Epuration biogaz

Croissance du givre

Formation du givre

Cryogenics

CO2 capture

Cold recovery

Controlled sublimation

Biogas upgrading

Frost growth

Frost formation

Résumé

Les systèmes cryogéniques sont l’une des technologies les plus prometteuses et toujours en progrès pour valoriser le biogaz, car elles permettent son épuration sans solvants et possiblement à pression atmosphérique. Dans ce travail, un nouveau concept de récupération de froid par sublimation contrôlée est présenté. Un gaz froid est utilisé en tant que gaz de dégivrage. Il sublimera le givre en utilisant le gradient de pressions partielles entre le givre et la teneur de CO2 dans le gaz au lieu de gaspiller le froid par transfert de chaleur par convection. Avant cette étape, les dépôts de CO2 doivent être étudiés. La formation et la croissance de givre de CO2 sont détaillées et un modèle est présenté pour mieux expliquer comment le CO2 est séparé du biogaz et des dépôts sur une surface froide. Une comparaison entre les configurations de plaque plane et de tube a montré que cette dernière était meilleure pour la capture de CO2 dans un système cryogénique en termes de transfert de chaleur et de masse. Cependant, elle pose un problème de colmatage lorsque le givre augmente à l'intérieur du tube. L'étude de la formation de givre le long du tube a montré un décalage de temps pour le dépôt de givre le long du tube. Un processus d’épuration cryogénique du biogaz et de liquéfaction de biométhane a été présenté avec des calculs pour tous les composants inclus dans le système. Les résultats de la simulation montrent que la récupération de froid est possible par sublimation contrôlée et que la température du tube a atteint des valeurs inférieures à la température initiale, ce qui n'est pas possible par le simple transfert de chaleur par convection. Le concept de vaporisation contrôlée fonctionne mieux pour les faibles concentrations de CO2 dans le biogaz si les phases de givrage et de dégivrage doivent être terminées à durée égale. Enfin, une expérience a été menée pour valider le concept de récupération à froid par sublimation contrôlée. Les résultats montrent que cette technique a le potentiel d’éliminer complètement les utilités froides de certains procédés cryogéniques d’élimination de CO2.

Cryogenic systems are one of the most promising and still rising technologies for upgrading biogas as it is solvent free and can operate at atmospheric pressure. In this work a new concept for cold recovery by controlled sublimation is presented. A cold gas flow is used as a defrosting gas that will sublimate the frost using the partial pressure gradient between the frost and the gas flow instead of wasting the cold by convective heat transfer. Prior to this step, CO2 deposition should be studied. CO2 frost formation and growth is thoroughly detailed and a model is presented to better explain how CO2 is separated from biogas and deposits on a cold surface. A comparison between the flat plate and the tube configurations showed that the latter was better for CO2 capture in a cryogenic system in terms of heat and mass transfer but it presents a problem of clogging as frost increases inside the tube. The study of frost formation along the tube showed a delay in the starting time of deposition at position further from the biogas inlet. A process for biogas cryogenic upgrading and biomethane liquefaction was presented with calculations for all the components included in the system. Simulation results show that cold recovery is possible by controlled sublimation and the tube temperature reached values lower to the gas flow temperature which is not possible by single convective heat transfer. The concept works best for lower CO2 concentrations in the inlet biogas if the frosting and defrosting phases are to be completed at the same time. Finally, an experiment was conducted to validate the concept of cold recovery by controlled sublimation, for which results have shown the potential to totally avoid cold utilities use in the cryogenic capture of CO2.