Absorption efficace du CO2 grâce à des contacteurs à membrane humide et à film tombant : enseignements tirés de la modélisation et de la simulation

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10994 (2023) Citer cet article

535 accès

2 Altmétrique

Détails des métriques

Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 24 juillet 2023.

Cet article a été mis à jour

Le rejet excessif de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère constitue une menace potentielle pour le bien-être de diverses espèces sur Terre, car il contribue au fonctionnement de la planète. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre des actions appropriées pour modérer les émissions de CO2. Un contacteur à membrane à fibres creuses est une technologie émergente qui combine les avantages des procédés de séparation et des absorptions chimiques. Cette étude examine l'efficacité des contacteurs membranaires à film humide et tombant (FFMC) pour améliorer l'absorption du CO2 dans une solution aqueuse de monoéthanolamine (MEA). En analysant des facteurs tels que la surface de la membrane, le débit de gaz, les débits d'entrée de liquide, le temps de contact gaz-liquide et la charge de solvant, nous examinons le processus d'absorption du CO2 dans les deux contacteurs. Nos résultats révèlent un net avantage du FFMC, atteignant une efficacité impressionnante d'élimination du CO2 de 85 %, contre 60 % avec les membranes humides. Nous utilisons le logiciel de simulation COMSOL Multiphysics 6.1 et l'analyse par éléments finis pour valider nos résultats, démontrant un accord étroit entre les valeurs prédites et expérimentales, avec une erreur relative moyenne d'environ 4,3 %. Ces résultats mettent en évidence le potentiel important du FFMC pour les applications dans le captage du CO2.

Le transfert de masse et les performances hydrodynamiques des dispositifs de séparation utilisés dans les processus d'absorption de gaz sont influencés par plusieurs facteurs cruciaux. Ces facteurs incluent la zone de contact gaz-liquide, les coefficients de transfert de masse et la chute de pression1. Les contacteurs membranaires (MC) attirent l'attention à l'échelle pilote et industrielle, en particulier pour le captage du carbone2, réduisant ainsi la consommation d'énergie et les coûts. Les défis comprennent le mouillage des pores, la sélection des solvants et l'encrassement par des solutions potentielles. L'examen met en évidence les principes de fonctionnement, les comparaisons avec la séparation des gaz, les conceptions de modules et les mises en œuvre commerciales3,4,5. Ils sont constitués d'une membrane poreuse qui agit comme une barrière physique entre les phases gazeuse et liquide, permettant un transfert sélectif des gaz tout en empêchant le mélange des deux phases. Cette structure unique offre plusieurs avantages en termes de taux de transfert de masse et d'efficacité du processus6. Les MC offrent une zone d'interface substantielle, favorisant un transfert de masse efficace et permettant l'élimination efficace d'impuretés spécifiques telles que le CO2 et le H2S des flux gazeux.

De plus, les MC présentent de faibles chutes de pression, réduisant ainsi la consommation d'énergie et les coûts d'exploitation7,8. Les MC ont été étudiées pour remplacer les colonnes à garnissage traditionnelles dans les applications de captage du carbone et d'élimination du dioxyde de soufre9. Dans l’ensemble, l’utilisation des MC représente une approche prometteuse pour le transfert de masse gaz-liquide dans diverses industries, et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour optimiser leurs performances et leur viabilité commerciale10,11,12,13. Les matériaux polymères hydrophobes tels que le polypropylène, le polytétrafluoroéthylène et le fluorure de polyvinylidène sont les membranes hydrophobes les plus couramment utilisées dans les processus d'absorption du CO214. Les contacteurs membranaires, constitués de plusieurs fibres creuses assemblées, ont une grande surface spécifique, offrant une zone d'interface élevée pour le contact gaz-liquide15,16,17,18. Dans le processus d'absorption membranaire utilisant des membranes hydrophobes, le gaz à absorber est d'abord transféré de la phase gazeuse en vrac à la limite gaz-membrane, puis se diffuse à travers les pores de la membrane jusqu'à l'interface gaz-liquide où se produit l'absorption. Le processus global de transfert de masse implique trois résistances en série : la résistance en phase gazeuse, la résistance membranaire et la résistance liquide. Idéalement, les pores de la membrane sont remplis de gaz et rejettent la perméation des liquides pour garantir une faible résistance au transfert de masse. Cependant, la plupart des membranes polymères utilisées pour l’absorption membranaire sont sujettes au mouillage lors de périodes de fonctionnement prolongées, ce qui peut avoir un impact négatif sur leurs performances20.