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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
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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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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
![Page 4: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/4.jpg)
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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
![Page 6: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/6.jpg)
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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
![Page 11: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/11.jpg)
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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) :
![Page 13: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/13.jpg)
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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
![Page 15: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/15.jpg)
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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
![Page 18: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/18.jpg)
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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
![Page 19: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/19.jpg)
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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
![Page 20: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/20.jpg)
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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
![Page 21: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/21.jpg)
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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
![Page 22: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/22.jpg)
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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
![Page 23: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/23.jpg)
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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
![Page 27: Contribution à létude du couplage transfert de matière-réaction chimique lors de labsorption de CO 2 dans une saumure GLS–F 5 - 14 juin 2007 Carry-le-Rouet](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062511/551d9db5497959293b8d9cb2/html5/thumbnails/27.jpg)
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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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