Contacteurs à membranes composites et contacteurs microporeux pour procédés gaz-liquide intensifiés de captage du CO2 en post-combustion : expérimentation et modélisation

par Élodie Chabanon

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Chakib Bouallou.

Soutenue en 2011

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Composite and microporous membrane contactors for intensified gas-liquid processes in CO2 postcombustion capture : experiments and modelling


  • Résumé

    La réduction des émissions de CO2 anthropique est un des enjeux majeurs du 21eme siècle pour de nombreux pays. De nombreux procédés sont développés pour le captage du CO2, parmi lesquels l'absorption gaz-liquide par contacteur membranaire. L'utilisation d'une membrane permet d'intensifier le transfert grâce à une aire interfaciale développée 2 à 10 fois plus élevée (1000 à 5000 m2. M-3) que celle d'une colonne d'absorption (procédé de référence). Deux types de fibres sont étudiées : microporeuses et composites. Dans une partie expérimentale, l'influence de la nature des matériaux, des paramètres géométriques et opératoires sur les propriétés de transfert de matière et sur la stabilité des performances de captage des contacteurs membranaires est étudiée. Les résultats obtenus pour des durées d'expérimentation courte (dizaine d'heures de temps de contact), sont en adéquation avec les résultats présents dans la littérature. Bien que l'ajout d'une peau dense à un support poreux constitue une résistance supplémentaire au transfert de matière, une étude dédiée, effectuée sur des temps de contact importants (plusieurs centaines d'heures), a permis pour la première fois de valider le concept de résistance au mouillage des fibres à peau dense, comparativement aux fibres microporeuses (PP et PTFE). Dans une partie modélisation, une étude comparative d'approches mathématiques de complexité croissante a été menée. Un seul paramètre ajustable a été délibérément retenu : le coefficient de transfert de matière dans la membrane (km). Cette étude a estimé des valeurs de km obtenues par ajustement des données expérimentales dans la plage de données rapportées dans la littérature (10-2 à 10-5 m. S-1). Cependant, l'hypothèse d'une valeur caractéristique du km qui dépend du régime de fonctionnement est posée et commentée. Cette approche diffère singulièrement des travaux rapportés dans la littérature, qui postulent le plus souvent une valeur unique pour un matériau membranaire donné. Dans ces conditions, l'intérêt des fibres composites, qui présentent une valeur constante et vraisemblablement prédictible du coefficient de transfert membranaire de par leur résistance aux phénomènes de mouillage, apparaît comme particulièrement prometteur pour intensifier les procédés de captage du CO2 en post-combustion par absorption gaz-liquide.


  • Résumé

    The decrease of the CO2 anthropogenic emissions is one of the main aims of the 21st century. Different processes are developed in order to capture CO2, but gas-liquid absorption in packed columns is considered as the reference postcombustion technology. Membrane contactors, which could potentially decrease by a factor 2 to 10 the size of the absorption units due to an increased interfacial area (1000 to 5000 m2. M-3 ), a so-called intensification effect, have been investigated in this study. Two kind of hollow fibers are studied: microporous and composite membranes (i. E. A dense polymeric skin coated on a porous support). In a first part, a series of experiments is reported to evaluate the influence of some geometric and operating parameters on the process capture performances and on the mass transfer characteristics. Results obtained on short time scale experiments are in agreement to the literature results. Even though a dense skin layer on a porous support generates an additional resistance to the mass transfer, a dedicated study carried out on long time scale (several hundreds hours) show for the first time that mass transfer performances of composite fibers can be similar to microporous unwetted membranes. Moreover, the wetting resistance of the composite fibers compared to microporous hollow fibers (PP and PTFE) is clearly demonstrated. In a second part, a comparative study of different mathematical models with increasing complexity is carried out. One parameter is used to fit the experimental results: the membrane mass transfer coefficient (km). Km values obtained through curve fits are in the range of data reported in the literature (10-2 to 10-5 m. S-1). However, the assumption of a km effective value which would depend of the operating conditions is addressed and discussed. This approach is different from the studies reported in the literature which generally postulates a single value for a given membrane material. Under these conditions, the composite membrane interest, which shows a constant and probably predictable value of the membrane mass transfer coefficient due to their wetting resistance, seems to be promising to intensify the gas-liquid absorption process in CO2 postcombustion capture.

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  • Détails : 1 vol. (211 p.)
  • Annexes : Bibliographie p.151-158

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  • Bibliothèque : Mines ParisTech. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.649 CCL TH 1318
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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.650 CCL TH 1318
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