Étude d'un procédé propre couplant l'absorption gaz/liquide microstructurée avec la distillation pour le traitement d'air chargé par un Composé Organique Volatil

Study of a clean process coupling microstructured gas/liquid absorption with distillation for treament of air contaminated by a volatil organic compound

• Auteur / Autrice : Neïla Mhiri
• Direction : Laurent Falk, Hubert Monnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 26/06/2009
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du génie chimique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : François Lapicque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Falk, Hubert Monnier, François Lapicque, Pierre Le Cloirec, Laurent Prat, Diane Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Le Cloirec, Laurent Prat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés organiques volatils

Mots clés libres

Cov

Numbering-up

Microabsorbeur à Film Tombant

Absorption gaz/liquide

Voc

Falling Film Microabsorber

Gas/liquid absorption

Numbering-up

Résumé

Cette thèse porte sur le développement d’un procédé industriel propre constitué par un couplage absorption-distillation, destiné aux traitements d’effluents gazeux chargés par un Composé Organique Volatil (COV). L’absorption est effectuée dans un microabsorbeur à film tombant. La première étape de ce travail consiste à caractériser le transfert de matière dans cet appareil, lors de l’absorption gaz/liquide du Perchloroéthylène (PCE) par le Di(2-EthylHexyl)Adipate (DEHA). Les expériences ont montré la faisabilité et l’intérêt de cette opération dans un micro-contacteur. En effet, les efficacités d’épuration obtenues sont comparables à celles des procédés classiques (jusqu’à 97%) et les quantités de solvant d’absorption utilisées sont très faibles. Une étude paramétrique a révélé une intensification significative du transfert de matière, côté gaz, et un gain en compacité, à la suite de la minimisation de l’épaisseur de la veine de gaz (2mm) et du débit de la phase gazeuse. Cette étude a également montré la limite du microabsorbeur à traiter de grands débits de gaz avec de bonnes efficacités, causée par la faible influence qu’exerce la vitesse du gaz sur le coefficient de transfert de matière. Ce comportement a été expliqué, grâce à des simulations en 2D, par une dispersion importante des profils de concentration indiquant une limitation diffusionnelle. Cette dernière provient essentiellement du régime laminaire lisse et de la petite taille caractérisant ce type de micro-procédé. Pour s’affranchir de cette limitation, la turbulence doit être favorisée dans le gaz. La deuxième étape de ce travail concerne l’extrapolation du microabsorbeur de laboratoire à l’échelle industrielle des PME/PMI, basée sur le concept du numbering-up. A l’issu des calculs, un absorbeur microstructuré efficace (95%), et compact (surface occupée ˜ 0,5m2) a été développé. Pour rentabiliser son fonctionnement, un recyclage par distillation flash du solvant d’absorption a été étudié. Les résultats obtenus ouvrent la voie sur une technique d’épuration prometteuse, qui nécessite néanmoins une validation théorique et expérimentale du couplage absorbeur-distillateur

This project focuses on the development of an industrial process, in which a coupled absorption/distillation unit is developed to treat gaseous effluents contaminated by a Volatile Organic Compound (VOC). Absorption is performed in a falling film microabsorber. The first stage of this work consists in characterizing the mass transfer in this device. The gas/liquid absorption of Perchloroethylene (PCE) by Di (2-EthylHexyl) Adipate (DEHA) is used as test case. Experiments showed the feasibility and the benefit of this separation process operated in a micro-contactor. Indeed, the purification efficiencies obtained are comparable to those of conventional processes (97%). Moreover, the required absorption solvent quantities are very low. A parametric study revealed significant mass transfer intensification on gas side and a gain in compactness due to the minimization of gas cavity thickness (2mm) and gas flowrate. This study also showed the limits of microabsorbers to handle large gas flowrates with good efficiencies, due to a low influence of gas velocity on the mass transfer coefficient. This behaviour was explained, thanks to 2D simulations, by a significant dispersion of concentration profiles, which indicates a diffusion limitation. The latter comes mainly from smooth laminar flow and the small size, a typical characteristic of micro-processes. To overcome this limitation, turbulence should be promoted in the gas. The second stage of this work concerns the microabsorber extrapolation from laboratory scale to industrial SMEs, based on the numbering-up concept. Calculations predict high throughputs with a microstructured absorber of competitive efficiency (95%) and high compactness (area occupied ˜ 0.5 m2). For profitable operation, solvent absorption recycling by a flash distillation is studied. The results lead to a promising treatment technique, which still requires a theoretical and experimental validation of the coupled absorber-distiller unit