L’intensification d’un procédé est un champ qui suscite un intérêt considérable. Elle est définie comme le développement de nouvelles méthodes, installations ou procédés innovants qui mènent à des améliorations importantes, telles que la baisse des coûts de fabrication, la taille des unités, la consommation d’énergie ou la flexibilité d’un procédé (Stankiewicz et Moulijn, [92] ; Drioli et Fontananova, [29] ; Becht et al, [6]).
mentation de l’aire interfaciale du contacteur, laquelle peut être jusqu’à 10 fois supérieure à l’aire inter- faciale d’une colonne à garnissage classique (aire interfaciale 500 m2.m−3 et coefficient de transfert de matière global 2.103m.s−1de référence).
Le facteur d’intensification I est déterminé à partir du coefficient K0(s−1) caractérisant l’inverse du temps de transfert du procédé. Ce coefficient K0 résulte du produit du coefficient de transfert de matière global kglob(m.s−1) et de l’aire interfaciale gaz-liquide a (m2.m−3) de chacun des procédés.
I = K 0 membrane Kcolonne0 = kglob,membranea kglob,colonnea (3.5)
Une seconde méthode consiste à comparer les capacités volumiques d’absorption de chacun des procédés. En général, une valeur de 1 (mol.m−3.s−1), est prise comme référence pour le captage de CO2 dans une
colonne à garnissage.
I = Cvmembrane Cvcolonne
(3.6)
3.4.1 Coefficient de transfert de matière global
Le coefficient de transfert de matière global est déterminé à partir du modèle de pseudo premier ordre. Ce modèle considère un bilan de matière effectué sur la phase gaz et les hypothèses suivantes sont posées : – Réaction du premier ordre entre l’espèce captée et la phase liquide (large excès en ammoniaque et
concentration en CO2négligeable dans la phase liquide) ;
– Écoulement piston de la phase gaz dans le module ; – Température et pression constantes.
Le bilan matière sur le CO2s’exprime par :
vg
dCCO2,g
dz = −kglobaCO2
où vgest la vitesse de gaz (m.s−1), CCO2,gest la concentration en CO2dans le gaz (mol.m
−3).
En partant de la définition de l’efficacité de captage, et en tenant compte de l’hypothèse d’un débit de gaz constant, l’expression de l’efficacité :
η = 1 −C out CO2,g Cin CO2,g (3.8)
Après intégration de l’équation 3.8, la nouvelle expression de l’efficacité de captage est :
(3.9)
FIGURE3.28 –Simulation des résultats des fibres Oxyplus avec le modèle du pseudo premier ordre, N H3= 3 wt%, compacité
= 0, 18
Le coefficient de transfert de matière global a été déterminé à l’aide du modèle de pseudo premier ordre. Les résultats suivent la prédiction faite par ce modèle (Figure 3.28). Les valeurs de kglobont été déterminées
pour deux concentrations en ammoniaque de 3 et 5 wt%. La valeur de kglobpour les modules en Oxyplus
est de 4, 5.10−4pour N H3 de 3 wt% et de 6, 02.10−4pour N H3de 5 wt%.
3.4.2 Résultats de l’intensification gaz-liquide
Le Tableau 3.9 présente le facteur d’intensification estimé à partir des résultats obtenus sur des contacteurs membranaires avec des fibres composites Oxyplus et avec des fibres composites P P + t´ef lonAF .
Les résultats utilisés pour le calcul ont été obtenus lors d’expériences réalisées sur une journée. Le facteur d’intensification estimé pour une compacité de 0, 60 des fibres Oxyplus est une extrapolation des résultats obtenus sur le module de compacité 0, 18. La concentration de la solution d’ammoniac est de 3 wt%. Cependant, la perte d’ammoniaque et la formation des sels d’ammonium cristallisés conduisent à une diminution de l’efficacité de captage et du flux de CO2transféré, affectant ainsi, le facteur d’intensification.
Les valeurs de facteurs d’intensification déterminées à partir des résultats expérimentaux réalisés en la- boratoire sont une première approche de l’intensification du procédé. Le facteur d’intensification d’un contacteur par rapport aux colonnes d’absorption est avantageux s’il est supérieur à 1. Le Tableau 3.9 montre des facteurs intensifications largement supérieurs à 1, lesquels sont encourageants, sachant que les
Tableau 3.9 – Facteurs d’intensification des fibres composites
Modules Oxyplus Oxyplus PP +Téflon AF
Efficacité de captage η (%) > 85 >85 >85
Vitesse de passage de gaz vgazm.s−1 < 1 < 1 < 1
Vitesse de passage du liquide vliq m.s−1 0, 006 0, 006 0, 006
Taux de remplissage du module (-) 0, 18 0, 6 0, 6
Aire interfaciale du module a m2.m−3 1889 6502 6352
Aire interfaciale la phase gaz m2.m−3 20000 20000 14285 Coefficient de transfert de matière global kglobm.s−1 4, 5.10−4 4, 5.10−4 3, 6.10−4
Coefficient K0 s−1 8, 98 8, 98 5, 14
Capacité volumique Cv mol.m−3.s−1 1, 37 4, 7 4, 6
Facteur d’intensification I (-) 1, 37 4, 7 4, 6
coefficients de transfert d’une membrane composite sont inférieurs à ceux des membranes poreuses ou des colonnes à garnissage. Ces résultats ne prennent pas en compte la dispersion hydrodynamique dans le module ni un taux de charge élevé de la phase liquide en sortie du contacteur.
3.5
Conclusion
Dans ce chapitre, les résultats sur l’absorption du CO2avec intensification membranaire ont été présentés.
Les résultats des efficacités de captage obtenus avec les fibres composites, Oxyplus et P P + T ´ef lon AF , par rapport à la fibre poreuse permettent de valider l’utilisation de ces fibres pour le captage de CO2. De
plus, les fibres composites retiennent davantage l’ammoniac, diminuant significativement ses pertes. Dans cette étude, la perte d’ammoniac est un paramètre clé, car celle-ci est un composant chimique très volatil. Comme il a été présenté dans l’état de l’art, la solution d’ammoniac a déjà été utilisée comme solvant pour absorber le CO2. Cependant, sa tension de vapeur élevée fait que l’absorption se réalise dans des plages
opératoires restreintes (température d’absorption > à 283 K ou pression d’absorption < à 3 bar). Avec l’utilisation des membranes composites, la pression d’absorption par exemple pourrait être diminuée sans augmenter les pertes d’ammoniaque, pouvant diminuer aussi les coûts liés à la compression du solvant.
L’influence des différents paramètres a été évaluée. Les résultats ont montré que l’efficacité de captage dépend fortement de la vitesse de gaz utilisée. L’efficacité de captage diminue lorsque la vitesse de gaz augmente pour toutes les membranes testées. Ceci s’explique par une réduction du temps de contact entre la phase gaz et la phase liquide. La vitesse de passage du gaz à employer doit être inférieure à 0, 8 m.s−1 pour assurer une efficacité de captage de 90 % avec un module de compacité de 0, 05. D’autres paramètres, qui influencent l’efficacité de captage en la diminuant sont la compacité du contacteur membranaire et la concentration volumique de CO2. Par contre, les paramètres qui favorisent l’absorption sont : la vitesse
de liquide, la température d’absorption même si celle-ci accentue les pertes d’ammoniaque, et la concen- tration en N H3. Cependant, si la concentration d’ammoniaque utilisée dépasse 5 wt%, l’efficacité peut
diminuer du fait d’une obstruction par les sels d’ammonium dans la membrane. De plus, l’énergie de ré- génération peut augmenter car, si les sels sont présents, il faudra de la chaleur supplémentaire pour les dissoudre.
Les cycles d’absorption de CO2 à travers un contacteur membranaire et de régénération de la solution
d’ammoniac par chauffage sont viables pour la capture de CO2 en post-combustion. La vitesse de gaz
doit être inférieure à 0, 8 m.s−1afin de maintenir une bonne efficacité de captage. Pour avoir de bonnes conditions de travail, une bonne durée de vie des fibres et éviter une possible obstruction des pores, la vitesse de passage du gaz ne doit pas dépasser la vitesse de 3 m.s−1. L’augmentation du taux de charge de la solution augmente la masse volumique de la solution. Régénérer complètement la solution d’ammoniac est inintéressant car l’énergie dépensée serait trop importante. Bien charger la solution d’ammoniac permet de réduire le coût de la régénération.
Les résultats expérimentaux ont permis de calculer le facteur d’intensification d’une membrane par rapport à la colonne d’absorption. Le facteur est d’environ 5 et pourrait conduire à une diminution significative de la taille des installations. L’utilisation des contacteurs membranaires associés à l’ammoniaque semble être une solution viable pour le captage de CO2.
Intégration du procédé de captage dans la centrale charbon
pulvérisé (CP)
4.1
Introduction
Pour capter le CO2 la méthode la plus utilisée est l’absorption chimique, on a réalise une série des si-
mulations du procédé de captage utilisant une solution aqueuse d’ammoniac comme solvant et on l’a comparé au procédé utilisant M EA et M DEA. La simulation du procédé de captage a été réalise à l’aide du logiciel Aspen Plus. Aspen est construit autour d’une architecture séquentielle-modulaire. Ce logiciel permet la simulation, la conception et l’optimisation des procédés en régime permanent. Il contient un ensemble d’opérations unitaires connectées par des flux de matière ou de chaleur. Également, il dispose de nombreuses bases de données de propriétés physiques, et de modèles thermodynamiques.
Les principales opérations unitaires utilisées dans la simulation du procédé sont résumées dans le Tableau 4.1.