Capture du co2 par absorption dans des solvants amines purs et

Capture du co2 par absorption dans des solvants amines purs et

CAPTURE DU CO2 PAR ABSORPTION DANS DES SOLVANTS AMINÉS PURS
ET EN MÉLANGES : EXPÉRIMENTATION VS SIMULATION
Lionel DUBOIS, Diane THOMAS*
Service de Génie des Procédés Chimiques, Faculté Polytechnique de Mons, AUWB
* [email protected]
OBJECTIFS DE L’ÉTUDE
- Etudier les performances d’absorption du CO2 dans des solutions aqueuses d’amines : monoéthanolamine (MEA), méthyldiéthanolamine (MDEA) et pipérazine (PZ)
- Comparer rapidement les cinétiques d’absorption de CO2 dans des mélanges innovants : comparaison entre des résultats expérimentaux et issus d’une simulation
Protocole de Kyoto = diminution des émissions de gaz à effet de
serre de 5,2 % entre 2008 et 2012
I. CONTEXTE
Filière de capture, transport et stockage du CO2 :
Absorption du CO2 des fumées par les amines + régénération du solvant et
production d’un flux riche en CO2 :
Enjeux :
Obtenir les meilleures performances
d’absorption (influence des cinétiques mises en
jeu et de l’hydrodynamique sur la compacité de la
tour d’absorption) tout en essayant de limiter le
coût global du traitement d’absorptionrégénération, dont la part la plus importante
provient des frais de régénération du solvant
(consommation énergétique).
Energie ca lo rifique
au rebo uilleur
Energie calorifique (GJ / t o nne C O 2 )
au rebouilleur 16
(GJ/tonne CO2) 14
Taux de charge de l'amine pauvre
= 0,13 mol CO2/mol amine
12
Taux de charge de l'amine riche
= 0,5 mol CO2/mol amine
10
8
6
Source : Veawab et al. (2006)
4
2
0
Source : IFP 2008
MEA 4M
Source : Cansolv 2008
Amines étudiées :
MDEA : H3C – N
MEA :
EXPÉRIMENTATION
H2N – CH2CH2OH
NH
CH2 – H2C
Absorption basée sur la théorie du double film
accompagnée d’une réaction chimique :
40
30
A (%)
MDEA 4M
MODÉLISATION
DE L’ ABSORPTION DU CO2
50
Pour une amine pure en solution aqueuse :
PZ 10%
20
MEA 30%
Réaction CO2-amine irréversible et du second ordre :
rCO2 = k2.cCO2.camine
MEA 15 %
10
MDEA 30%
Nombre de Hatta :
0
0
Deux types d’essais :
- cinétiques
- d’équilibre
HN
PZ :
RÉSULTATS
MEA 1,33 M
MDEA 2,66 M
CH2 – H2C
II. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE ET SIMULATION
CH2CH2OH
CH2CH2OH
MEA 2 M
MDEA 2M
MEA 2,66 M
MDEA 1,33 M
5
10
yCO2,in (%)
15
20
Ha =
1
⋅ k 2 ⋅ DCO2/amine ⋅ camine
kL
Flux d’absorption du CO2:
(
)
RCO2 = kG ⋅ pCO2 − pCO2 ,i = E ⋅ k L ⋅ cCO2 ,i
50
(Réaction complète dans le film liquide : cCO2 = 0)
40
E: facteur d’accélération = fct (nombre de Hatta)
t = 25°C ± 0,2 °C , p = pression atmosphérique
Contacteur : à films tombants (6 fils torsadés)
Dcol = 0.045 m – Section = 0.001276 m2
Débit (L) = 0.191 l/min
Débit (G) = 0.808 m³/h
uL: 0.0025 m/s
uG : 0.17 m/s
Teneurs en CO2 : 4 à 16% (représentatives des fumées de combustion)
Concentrations en amines :
CMEA : 15 à 30 % (massiques)
Solutions aqueuses d’une ou
CMDEA : 30 à 50 % (massiques)
plusieurs amines
CPZ : 5 à 12.5 % (massiques)
CONCLUSIONS
Meilleurs taux d’absorption : PZ > MEA > MDEA
Effet très positif d’un activateur de l’absorption (PZ)
Simulation dans le cas des solutions aqueuses d’une amine : bonne
adéquation avec les résultats expérimentaux
• MDEA : réaction modérément rapide
20
0.3 < Ha < 3 MDEA 30% + PZ 10%
10
MDEA 30% + MEA 5% + PZ 5%
3 < Ha < Ei/2 0
5
10
yCO2,in (%)
15
RCO2 =
40
30
Etude d’autres amines comme par exemple la pipéridine
Influence de la température : 25°C 40°C
Couplage avec l’étape de régénération
Simulation de l’absorption du CO2 dans des mélanges
0
5
10
yCO2,in (%)
15
k 2 ⋅ DCO2
H
⋅ camine ⋅ pCO2 ,i
Pour un mélange d’amines en solution aqueuse :
• Application des règles de mélanges :
µ mix, DCO2/mix et HCO2/mix
0
PERSPECTIVES
E ≈ Ha
Paramètre Global de dimensionnement :
PTCG = f (t°, amine)
ExpPZPZ
10%
Exp
10%
SimuPZPZ
10%
Simu
10%
(k2(kPZ,2)
2,PZ=76000 m³/kmol.s)
SimuPZPZ
10%
Simu
10%
(k2(kPZ,1)
2,PZ=537000 m³/kmol.s)
ExpMEA
MEA
30%
Exp
30%
Simu
MEA
30%
k2,MEA=8088 m³/kmol.s)
Simu MEA 30% (k2(MEA,2)
SimuMEA
MEA
30%
Simu
30%
(k2(kMEA,1)
2,MEA=5938 m³/kmol.s)
10
Ha
tanh Ha
E pour une réaction instantanée
20
50
20
E=
• MEA & PZ : réaction rapide du pseudo 1er ordre
MDEA 30% + MEA 10%
0
A (%)
CONDITIONS OPÉRATOIRES
A (%)
30
20
• Nombre de Hatta : Ha
=
1
⋅
kL
∑ (k .c
j
j
j
) ⋅ DCO2/mix