modelisation de l`absorption de co2 dans une colonne a bulles

MODELISATION DE L’ABSORPTION DE CO2 DANS UNE COLONNE
A BULLES INDUSTRIELLE : APPROCHE INTEGREE DE
L’INTERFACE BULLE-LIQUIDE A LA COLONNE
WYLOCK Christophea, MIKAELIAN Davida, LARCY Auréliea, CARTAGE Thierryb,
HAUT Benoîta
a
TIPs, Université Libre de Bruxelles, 50 Av. Franklin Roosevelt CP 165/67, 1050 Bruxelles,
Belgique
b
Solvay S.A., 310 Rue de Ransbeek, 1120 Neder-Over-Heembeek, Belgique
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Résumé
Ce travail s’intéresse à la modélisation en vue de l’optimisation du procédé de
bicarbonate de soude (NaHCO3) raffiné de la société belge Solvay, qui est produit dans des
colonnes à bulles de grandes tailles (environ 2m de diamètre et 20m de haut), appelées
colonnes BIR. Dans ces colonnes, un mélange gazeux azote-dioxyde de carbone (CO2) est
injecté et dispersé sous forme de bulles dans une solution aqueuse riche en carbonate de
sodium, ce qui conduit à la formation et à la précipitation de NaHCO3. Une série d’études ont
permis de déterminer que, malgré leur grande taille, seulement la moitié du CO2 injecté est
effectivement transféré et que l’étape limitante de ce procédé reste le transfert de CO2 depuis
les bulles de gaz dans la solution. Par conséquent, une optimisation du procédé doit passer par
une optimisation du taux de transfert bulle-liquide de CO2.
Les différentes optimisations qui ont été apportées aux colonnes BIR par le passé l’ont
été de manière essentiellement empirique mais cette approche a atteint aujourd’hui ses limites.
Un modèle mathématique robuste et fiable de cette colonne constituerait un outil de premier
ordre pour réaliser cette optimisation. Toutefois, la modélisation d’une telle colonne n’est pas
un problème simple car il est à la fois multiphasique, multiphysique et multiéchelle. En effet,
entre l’échelle de la colonne industrielle et l’échelle caractéristique du transfert gaz-liquide
(quelques dizaines de µm), toute une série de phénomènes importants pour le transfert de
matière prennent place aux échelles intermédiaires, telles que celles de la bulle et de l’essaim
de bulles, et les phénomènes se déroulant à chacune de ces échelles affectent aussi ceux se
déroulant aux autres échelles.
L’objectif de ce travail est de mettre au point un modèle mathématique d’une colonne
BIR en poursuivant une démarche multiéchelle. Des études théoriques, numériques et
expérimentales sont réalisées aux différentes échelles, en partant de l’échelle de l’interface
jusqu’à l’échelle industrielle, en passant par les échelles de la bulle isolé, de l’essaim de bulle
et de la colonne pilote. L’ensemble des résultats générés sont intégrés, échelle par échelle, les
uns dans les autres, partant de l’échelle la plus petite à l’échelle la plus grande, de façon à
mettre au point un modèle mathématique de la colonne dans son ensemble. La structure de
modèle proposée est un modèle filaire à compartiments, dans lequel les résultats des
différentes études permettent de quantifier les différents flux de matière entre phases et entre
compartiments.
Les résultats de ce modèle sont comparés à des mesures réalisées sur site et il apparait
que, bien que nécessitant encore des améliorations, ce modèle permet d’ores et déjà d’avoir
une meilleure compréhension des interactions entre les différents phénomènes sur la vitesse
du transfert bulle-liquide de CO2.