Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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Modélisation et simulation des contacteurs membranaires denses
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2. Intérêt des contacteurs membranaires pour le captage du dioxyde de carbone en postcombustion
De façon quasi unanime, le dioxyde de carbone est reconnu comme l'un des principaux gaz à effet de serre (GES), contribuant au réchauffement climatique global. Pour limiter les émissions de CO2 d'origine anthropique, l'une des options préconisées est le captage et le stockage du dioxyde de carbone produit (CSC) [11].
Dans cette optique, les experts recommandent le captage aux amines comme solution technique mature pour capter 80 à 90 % du CO2 en postcombustion, avec une pureté proche de 90 %. Dans ces conditions, l'application du CSC se heurte aux deux verrous que sont le coût économique du captage lié à la faible teneur en CO2 (4 à 13 % vol.) et le volume énorme des fumées à traiter (plus de 1 million de m3.h–1 pour une centrale de 700 MWe), ce qui suppose une taille d'unité de captage énorme, comparable à la taille de la centrale thermique émettrice. Ces deux verrous sont dus à la forte teneur en azote introduite par la combustion à l'air des ressources fossiles.
Compte tenu des caractéristiques des contacteurs membranaires, en particulier de l'aire interfaciale très importante qu'ils peuvent développer, il est clair que les contacteurs membranaires présentent un potentiel très intéressant pour réduire la taille des installations de captage et pour permettre une intensification significative du procédé d'absorption G/L.
2.1 Choix de peaux denses pour les contacteurs membranaires
L'intérêt a été porté de prime abord sur les polymères à grand volume libre qui étaient disponibles commercialement, soient le polytriméthylsilylpropyne (PTMSP) fourni par ABCR GmBH et le copolymère de tétrafluoroéthylène et de 2,2-bis(trifluoro méthyl)-4,5-difluoro-1,3-dioxole (Téflon AF®) récemment mis sur le marché par Dupont. En effet, les coefficients de perméabilité de ces polymères vitreux sont très élevés, surtout dans le cas du PTMSP, et ce même comparés à ceux du PDMS qui est pourtant le plus perméable des polymères élastomères connus (1).
Dans un second temps, la résistance chimique et thermique de ces matériaux mis sous forme de films denses a été testée par immersion prolongée dans une solution aqueuse de MEA (50 % mass.) pendant plusieurs semaines. On a ainsi pu vérifier que le taux de gonflement des polymères restait...
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Intérêt des contacteurs membranaires pour le captage du dioxyde de carbone en postcombustion
BIBLIOGRAPHIE
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(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).
-
(2) - GABELMAN (A.), HWANG (S.) - Hollow fiber membrane contactors. - J Membr. Sci., 159(1-2), p. 61-106 (1999).
-
(3) - KIM (B.), HARRIOTT (P.) - Critical entry pressure for liquids in hydrophobic membranes - . J. Colloid Interface Sci., 115(1), p. 1-8 (1987).
-
(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).
-
(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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