Comparaison des performances des contacteurs membranaires lorsque le liquide circule à

circule à l'intérieur des fibres ou côté calandre

Dans un contacteur membranaire à fibres creuses, le liquide peut circuler à l’intérieur des

fibres ou dans la calandre ; ce choix n’est pas anodin mais il a été rarement discuté dans la littérature.

Sur les 26 articles que nous avons étudiés concernant la simulation de la séparation de gaz

avec absorption dans un solvant, 54% des articles ont présenté des modèles avec le liquide circulant à

l'intérieur des fibres, 19% ont simulé le cas où le liquide circule dans la calandre et 27% ont travaillé

sur les deux configurations.

La revue bibliographique des travaux expérimentaux sur les contacteurs membranaires à fibres

creuses montre que dans la plupart des cas, la configuration adoptée est celle où le liquide circule à

l’intérieur des fibres. Cette configuration présente l’avantage de limiter les effets de dispersion qui

conduisent à une diminution des performances. En effet, lors de la fabrication des modules à l’échelle

laboratoire, les fibres sont rarement disposées de façon uniforme et le passage du gaz dans la calandre

restreint les effets de dispersion.

Cependant, l’élaboration de modules développant des aires interfaciales élevées nécessite

l’utilisation de fibres de petit diamètre. Or les coûts de pompage du liquide à l’intérieur des fibres

peuvent se révéler très importants et la perte de charge peut devenir considérable. Ces arguments

pencheraient donc en faveur d’une circulation du liquide à l’extérieur des fibres. De plus, la surface

d'échange étant celle du liquide en contact avec la membrane, la surface externe peut être beaucoup

plus importante que la surface interne.

Aucune étude rigoureuse de ce problème n’a été rapportée à ce jour pour l’absorption du CO

2

dans un solvant chimique et il est très difficile de se prononcer a priori quant à la meilleure

configuration ; celle-ci dépend notamment des dimensions des fibres et du module ainsi que des

conditions opératoires.

192

Nous avons effectué deux simulations sur un module dont le nombre de fibres a été déterminé

de manière à ce que les sections de passage à l’extérieur et à l’intérieur soient exactement les mêmes,

permettant ainsi une comparaison directe. Les paramètres employés sont détaillés ci-dessous.

On prend l'exemple des fibres microporeuses PP. Les fluides circulent à contre-courant.

 dimensions de la géométrie étudiée

Rayon interne de la fibre R

1

(µm) 140

Rayon externe de la fibre R

2

(µm) 190

Nombre de fibres n 759

Diamètre interne du module D

in

(m) 0,013

Rayon de la zone de fluide entourant chaque fibre R

3

(µm)

Longueur des fibres L (m) 0,24

 constantes physico-chimiques et coefficients de diffusion du système

Température (K) 298,15

Constante de réaction (m

3

/(mol.s)) 5,916

Coefficient de Henry (Pa.m

3

/mol) 3354

Coefficient de partage (-) 0,739

Coefficient de diffusion du CO

2

dans le gaz (m²/s) 10

-5

Coefficient de diffusion du CO

2

dans le liquide (m²/s) 1,12 10

-9

Coefficient de diffusion de la MEA dans le liquide (m²/s) 8,34 10

-10

Coefficient de transfert de matière dans la membrane (m/s) 6,74 10

-4

Coefficient de diffusion effectif du CO

2

dans la membrane (m²/s) 3,37 10

-8

 conditions opératoires

Vitesse du liquide (m/s) 0,01

Concentration initiale en CO

2

(mol/m

3

) 12,10

Fraction volumique de CO

2

(-) 0,3

Concentration totale de MEA (mol/m

3

) 3292,13

Fraction massique de MEA (-) 0,2

193

Le graphique de la figure VI.10 représente deux simulations dans des conditions opératoires

identiques. L’efficacité de capture est calculée en fonction de la vitesse du gaz pour les configurations

liquide à l’intérieur et liquide à l’extérieur des fibres.

Figure VI.10 : Comparaison des performances d’un contacteur membranaire lorsque le liquide

circule à l'intérieur des fibres ou côté calandre dans des conditions identiques (section de passage

côté fibre et côte calandre égales, compacité de 65%)

Etant donné que nous disposons d'un modèle en 2D et que d’un point de vue strictement

mathématique, la simulation des deux configurations est symétrique, les résultats obtenus sont les

mêmes. En effet, le modèle en géométrie plane ne peut pas tenir compte de la surface d'échange qui est

plus élevée lorsque le liquide circule à l'extérieur des fibres. De même les phénomènes de dispersion

sont complètement négligés alors qu'ils peuvent entraîner une diminution des performances de capture

par rapport à un écoulement piston. Les résultats de la figure VI.10 représentent donc des cas idéaux.

Dans notre étude, il est nécessaire de faire circuler le liquide dans la calandre car nous avons

vu au chapitre III que la fabrication des fibres creuses composites s’est faite par enduction de

l’extérieur des fibres. En effet, il est très difficile de réaliser une peau dense interne sans défaut à partir

de fibres supports ayant un faible diamètre interne (280µm). La circulation des fluides est ainsi

imposée par la structure des membranes composites : le liquide circule à l’extérieur des fibres et la

peau dense agit comme une barrière empêchant le solvant de mouiller le support poreux. D’après la

figure VI.10, la configuration où le liquide circule côté calandre, même si elle est expérimentalement

peu employée, semble en théorie tout à fait fondée à la condition que les fibres soient suffisamment

bien réparties pour limiter les effets de la dispersion. Par ailleurs, les conditions opératoires,

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

e

ff

ic

a

ci

té

d

e

c

a

p

tu

re

(%)

vitesse du gaz (m/s)

liquide extérieur

liquide intérieur

194

notamment les vitesses de liquide et de gaz, devront être optimisées de manière à limiter les pertes de

charges. Néanmoins, il est en principe envisageable d'utiliser les fibres composites à peau dense

externe à plus grande échelle sans que la circulation du liquide côté calandre ne compromette les

performances des contacteurs.

2. Influence du taux de charge de l'amine sur les performances des contacteurs

Dans le document Contacteurs à membranes denses pour les procédés d'absorption gaz-liquide intensifiés : application à la capture du CO² en post combustion (Page 193-196)