Modélisation multi échelle de transport de chaleur et masse dans les étapes d'un procédé de production de bio-méthane à partir de biogaz par technologie de séparation par adsorption PSA.

par Najib Chouikhi

Projet de thèse en Génie des procédés

Sous la direction de François Puel.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec LGPM - Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux (laboratoire) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 02-01-2017 .


  • Résumé

    La technologie de séparation par adsorption constitue aujourd'hui l'une des technologies de séparation largement utilisée pour la séparation et la purification des gaz et des liquides dans des domaines très variés, allant des industries pétrolières, pétrochimiques et chimiques et aux applications environnementales. Cette technologie est basée sur l'adsorption sélective (soit thermodynamique soit cinétique) d'une partie des constituants d'un mélange par des adsorbants ayant des interactions spécifiques avec ces constituants. Parmi les procédés de séparation et de purification des gaz développés par Air Liquide, les procédés d'adsorption modulée en pression (Pressure Swing Adsorption – PSA). Les performances des procédés PSA sont contrôlées par des nombreux paramètres du procédé, tels que la longueur des colonnes, la vitesse du fluide, le rapport de pression, le taux de recyclage, ainsi que les paramètres cinétiques et d'équilibres du système considéré. Etant donné que la plupart des modèles décrits dans la littérature récente sont basés sur l'hypothèse d'équilibre local, dont l'emploi est limité aux séparations de type thermodynamique. Il apparait important de développer de modèles numériques pour décrire les procédés de séparation par adsorption pour lesquels la composante « séparation cinétique » devient importante comme dans le cas de la séparation méthane/dioxyde de carbone. Compte tenu de la complexité du problème physique qui présente des caractéristiques importantes et distinctes à différentes échelles du système. La modélisation numérique multi échelle, avec la description de la colonne comme le cœur du procédé d'adsorption, le grain d'adsorbant comme l'élément principal de la colonne et les sous-modèles qui sont associés à ce grain constituant la base sur laquelle se construit le modèle de la colonne, devient fondamental pour estimer l'état du système après convergence, dimensionner le procédé et ainsi le contrôler. L'objectif du travail est de construire un modèle multi-échelle représentant la dynamique des transferts couplés de masse et chaleur afin d'étudier le phénomène de transport à travers les différentes étapes d'un processus d'adsorption de PSA pour la séparation du bio-méthane du biogaz en interconnectant au mieux les différents sous-modèles utilisés pour décrire ces phénomènes au sein de la colonne, du grain d'adsorbant ainsi que des cristaux composant le grain.

  • Titre traduit

    Multiscale modeling of heat and mass transfer through the different steps of a PSA adsorption process for the separation of bio-methane from biogas


  • Résumé

    Adsorption separation technology is one of the widely used technologies for the separation and the purification of gases and liquids in a wide range of fields such as petroleum, petrochemical, chemical industries and in environmental applications. The Adsorptive separation is based on a selective adsorption (thermodynamic or kinetic) of different gas components through specific interactions between the surface of the adsorbent (porous medium) and the adsorbed molecules. Processes such as pressure swing adsorption (PSA) became a key separation tool in Air Liquide. The performance of PSA processes is controlled by many parameters such as column length, fluid velocity, pressure ratio, recycle rate, and most important the kinetic and the equilibrium parameters of the system. Since, most of the models described in the recent literature are based on the local equilibrium hypothesis, where the use of these models is limited to the thermodynamic separations. So, it is important to develop numerical models to describe adsorption separation processes where the kinetic separation component becomes very important as in the case of methane / carbon dioxide separation. Given the complexity of the physical problem which has important and distinct features at different scale of the system, a Multi-scale numerical model is fundamental to the process dimensioning, control, and finally optimization. The objective of the work is to construct a multi-scale model representing the dynamics of coupled mass and heat transfers for the transport phenomenon through the different steps of a PSA adsorption process for the separation of bio-methane from biogas, By interconnecting as much as possible the different sub models used to describe these phenomena within the column, the adsorbent grain as well as the crystals composing the grain.