Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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Denis ROIZARD : Directeur de recherche CNRS au laboratoire Réactions et Génie des Procédés à l'École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy, université de Lorraine
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Eric FAVRE : Enseignant-chercheur au laboratoire Réactions et Génie des Procédés, professeur à l'École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy, université de Lorraine
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Résumé : La conception d'un nouveau type de contacteur membranaire et la caractérisation de son efficacité pour le captage du CO2 de fumées de postcombustion ont été effectuées dans le cadre d'un projet de recherche ANR. Il s'agit d'un contacteur gaz/liquide à fibres creuses ayant comme interface une peau dense polymère, supportée par une structure microporeuse. Testés sous forme de modules contenant un faisceau de fibres creuses, l'efficacité de captage a été caractérisée avec un mélange modèle CO2/N2 en présence d'une solution aqueuse absorbante de monoéthanolamine circulant côté calandre. Le transfert de matière des contacteurs a été modélisé en utilisant l'approche des résistances en série. La simulation dans des conditions proches de la réalité industrielle montre qu'il est possible d'atteindre un facteur d'intensification en mole de CO2 captée par m-3.s-1 d'au moins quatre par rapport aux colonnes garnies tout en ayant une plus grande souplesse d'utilisation.
Abstract: The design of a new type of membrane contactor and characterization of its efficiency in CO2 capture from post combustion flue gas was carried out in the frame of an ANR research project. An innovative gas/liquid contactor having a dense polymer skin supported by a microporous structure as interface was set up. Assembled as hollow fibers bundles inserted into a module, the capture efficiency of this system was characterized using a CO2/N2 mixture model in the presence of an absorbing aqueous solution of monoethanolamine in the shell side. The mass transfer of these dense membrane contactors was mathematically modeled using the resistance-in-series approach ; through simulations close to industrial cases, the results showed that it is possible to achieve an intensification factor of the CO2 absorption in mol. m-3.s-1 of at least four compared to conventional column absorbers while having greater operating flexibility.
Mots-clés : contacteur gaz/liquide, membrane polymère, modélisation-simulation, captage du CO2, mouillage, intensification
Keywords: gas/liquid contactor, polymeric membrane, modeling-simulation, CO2 capture, wetting, intensification
Domaine : procédés d'absorption gaz-liquide
Degré de diffusion de la technologie : Émergence / Croissance / Maturité
Technologies impliquées : contacteur membranaire
Domaines d'application : lavage de gaz, captage CO2, centrales à charbon, industries pharmaceutique et alimentaire
Principaux acteurs français :
Pôles de compétitivité : Trimatec, Club français des membranes (CFM)
Centres de compétence : laboratoire Réactions et Génie des Procédés (CNRS, université de Lorraine), le laboratoire de Génie Chimique (Toulouse), INRA centre de Versailles-Grignon
Industriels : Polymem (Toulouse)
Autres acteurs dans le monde : TNO, Membrana (Liqui cell), Kvaerner, GKSS
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Contacteurs membranaires4. Conclusion et perspectives
Cette étude sur l'efficacité des contacteurs membranaires à peau dense a été réalisée avec un mélange de gaz CO2/N2 modélisant le cas de la postcombustion, sans toutefois prendre en compte toute la complexité des fumées industrielles, liée notamment à la présence de vapeur d'eau, de gaz annexes présents à de faibles taux (O2, SOx, NOx), ni le prétraitement des poussières qu'il sera nécessaire de faire quel que soit le type de contacteur G/L envisagé.
le coût de traitement des gaz annexes sera le même pour les contacteurs membranaires ou pour les colonnes d'absorption ; le coût du dépoussiérage pourrait être plus onéreux pour les contacteurs s'il faut atteindre une taille < 0,1 m.
Les résultats expérimentaux et les simulations réalisées ont permis de valider le très haut niveau de performances qui peut être potentiellement atteint avec des contacteurs membranaires à peau dense dans le cas du captage du CO2 par absorption chimique dans une solution aqueuse de MEA. Deux points méritent d'être soulignés ; d'une part, le risque majeur de mouillage des fibres se trouve totalement éliminé et, d'autre part, les facteurs d'intensification rendus possibles pour l'étape d'absorption sont très importants puisqu'ils atteignent des valeurs de 4 à 8 selon le taux de compacité des modules et la nature des fibres utilisés.
Au-delà du cas précis étudié, on notera que ces contacteurs sont un nouvel outil de transfert de matière qui autorise des différences de pression significatives entre les deux phases gaz et liquide, complétant ainsi avantageusement la gamme des contacteurs microporeux dont la mise en œuvre est plus délicate. On peut en effet envisager l'absorption sélective de gaz sous pression (e.g. CO2, H2S, NH3, SOx, NOx…) par des liquides absorbants dits « physiques », eux-mêmes sous pression, pour des applications liées aux secteurs de l'énergie (traitement du gaz naturel) ou de l'environnement (captage du CO2 en précombustion, composés organiques volatils…). Inversement la peau dense peut permettre aussi le fonctionnement du contacteur membranaire en basse pression côté gaz, induisant alors le dégazage (c'est-à-dire dans certains cas la régénération) de la phase liquide dès la température ambiante. Les limites d'utilisation auxquelles on doit s'attendre...
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Conclusion et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - QI (Z.), CUSSLER (E.L.) - Microporous hollow fibers for gas absorption. I, II. Mass transfer in the liquid. - J Membr. Sci., 23(3), p. 321-32 (1985) and ibid 23(3), p. 333-45 (1985).
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(2) - GABELMAN (A.), HWANG (S.) - Hollow fiber membrane contactors. - J Membr. Sci., 159(1-2), p. 61-106 (1999).
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(3) - KIM (B.), HARRIOTT (P.) - Critical entry pressure for liquids in hydrophobic membranes - . J. Colloid Interface Sci., 115(1), p. 1-8 (1987).
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(4) - COKER (D.T.), FREEMAN (B.D.), FLEMING (G.K.) - Modeling multicomponent gas separation using hollow-fiber membrane contactors. - AIChE J., 44(6), p. 1289-300 (1998).
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(5) - KUMAR (P.S.), HOGENDOORN (J.A.), FERON (P.H.M.), VERSTEEG (G.F.) - New absorption liquids for the removal of CO2 from dilute gas streams using membrane contactors. - Chemical Engineering Science, 57(9), p. 1639-51(2002).
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(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Programme « Captage et stockage du CO2 »
https://anr.fr/Projet-ANR-06-PCO2-0009
(site consulté le 13/07/2011)
HAUT DE PAGE
Salon Pollutec Lyon 15/11/2010 :
https://www.pollutec.com/fr-fr.html, Prix des techniques innovantes pour l'environnement
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