Approche multi-échelle pour la modélisation de fluides de travail des procédés de revalorisation de la chaleur fatale

Multi-scale Approach for working fluids modelling in waste heat revalorisation processes

• Auteur / Autrice : Thomas Di Pietro
• Direction : Fabrice Mutelet, Laëtitia Cesari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Christelle Goutaudier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Mutelet, Laëtitia Cesari, Margarida Costa Gomes, Patrice Paricaud, Baptiste Bouillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Margarida Costa Gomes, Patrice Paricaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation prédictive

Eutectiques

Solvants

Chaleur -- Récupération

Chaleur d'adsorption

Pompes à chaleur

Mots clés libres

Thermotransformateur à absorption

Solvants eutectiques profonds

Revalorisation énergétique

Chaleur fatale

Modèles prédictifs

Absorption heat transformer

Deep eutectic solvents

Energy recovery

Waste heat

Predictive models

Résumé

Le secteur industriel produit une quantité importante de chaleur fatale généralement rejetée dans l'atmosphère. Aujourd'hui, il existe différentes technologies pour revaloriser cette énergie perdue. Il est notamment possible de produire de la chaleur à haute température (120 - 150 °C) à partir d'une source de chaleur à température moyenne (typiquement 60 - 80 °C) en utilisant un type particulier de pompe à chaleur à absorption (PACA) : le thermotransformateur de chaleur à absorption. Malheureusement, les mélanges de travail actuellement utilisés (eau/bromure de lithium ou ammoniac/eau) présentent de nombreux inconvénients (corrosion, toxicité, risque de cristallisation…) qui empêchent le développement de ces technologies. Ce travail porte sur l'étude de couples de travail eau/solvant eutectique profond (SEP) en tant que solution alternative verte et bon marché. Une méthodologie originale basée sur une approche multi-échelle est proposée afin de modéliser les propriétés de nombreux SEP sans avoir besoin de recourir à une étude expérimentale coûteuse. Dans un premier temps, des calculs de chimie quantique ont été réalisés afin de mieux comprendre la structure moléculaire des différents constituants des mélanges de travail et les interactions mises en jeu. L'importance de la liaison hydrogène entre l'ion chlorure et les groupes hydroxyles a ainsi été mise en avant dans les configurations moléculaires les plus stables des SEP {chlorure de choline : phénol} et {chlorure de choline : acide glycolique}. Suite à ces observations, une version modifiée du modèle COSMO-SAC (COnductor-like Screening MOdel segment activity coefficient) prenant en compte les possibles liaisons hydrogène entre les atomes de chlore ou de brome et les groupes hydroxyles a été développée. La prédiction des équilibres liquide-vapeur de mélanges contenant des atomes de chlore ou de brome a ainsi pu être améliorée. Des modèles de contributions de groupes ont également été développés pour prédire trois propriétés clef des SEPs : la densité, la viscosité et la capacité thermique. Ces modèles ont ensuite été intégrés à un outil de simulation de procédés et ont permis d'évaluer les performances de 32 fluides de travail eau/SEP dans des thermotransformateurs à absorption. Les résultats obtenus sont proches de ceux des mélanges traditionnels.

Industries produce a significant amount of waste heat usually rejected in the atmosphere. As of today, it is possible to produce high temperature heat (120-150°C) from medium temperature heat (60-80°C) by using a particular kind of absorption heat pumps: the absorption heat transformers (PACA type II or AHT). Unfortunately, traditional working fluids (water/lithium bromide or ammonia/water) display numerous drawbacks (corrosion, toxicity, risk of crystallization…) which hinder the development of these technologies.This study focuses on the working fluids water/deep eutectic solvents (DESs) as a green and cheap solution of replacement. Using an innovative method based on a multiscale approach, this work aims at modelling the properties of many DESs without the need of a comprehensive and costly experimental investigation. At first, quantum chemical calculations were performed in order to get a better understanding of the molecular structure of different components of working fluids and the interactions between them. The importance of the hydrogen bond between the chloride ion and the hydroxyl groups has been highlighted in the most stable conformations of the DESs {choline chloride : phenol} and {choline chloride : glycolic acid}. From these observations, a modified version of the COSMO-SAC (COnductor-like Screening MOdel segment activity coefficient) model taking into account the possible hydrogen bonds between atoms of chlorine or bromine and hydroxyl groups was developed. This model improves the prediction of the vapour-liquid equilibria of mixtures with chlorine and bromine atoms, including DESs. Group contribution models have also been developed to predict three key properties of DESs: the density, the viscosity and the heat capacity.These models have been implemented in a simulation tool to evaluate the performances of 32 water/DES working fluids in AHT. Their performances are close to those of the traditional working fluids.