Mass transfer measurement in a reactive spray for CO2 capture

Le captage de polluants des effluents industriels, et plus particulièrement du CO2, est un défi majeur à relever. Le procédé de captage du CO2 basé sur l’absorption par des solutions aqueuses d’amines est la technique la plus maîtrisée pour le traitement des fumées en postcombustion. La substitution des colonnes à garnissage par des colonnes à pulvérisation présente un intérêt économique car la surface d’échange entre les phases gazeuse et liquide est très importante réduisant ainsi la taille de la colonne d’absorption. De plus, les pertes de charge côté gaz sont évitées et les coûts de maintenance réduits. L’objectif de ces travaux de thèse est de caractériser le transfert de matière dans un spray au cours d'une absorption du CO2 par une solution aqueuse de monoethanolamine (MEA) en utilisant une nouvelle méthode.Ainsi, l’étude s’intéresse à la caractérisation locale du transfert de matière entre un spray de MEA à 30% massique et une atmosphère de CO2. Pour cela, une technique optique non-intrusive est utilisée : la réfractométrie arc-en-ciel globale (GRT). Cette technique est une mesure de l’indice de réfraction d’un ensemble de gouttes localisé dans une partie du spray. C’est donc une mesure locale dans un volume de l’ordre de quelques millimètres cubes. L’indice de réfraction d’une solution dépend de sa température et de sa concentration. Ainsi, à l’aide d’un étalonnage préalable dans un réacteur agité, les indices de réfraction des solutions aqueuses de MEA chargées sont reliés à leurs températures et à leurs concentrations de CO2 absorbé. La mesure d’indice de réfraction permet donc de suivre l’avancement du transfert de matière à travers la concentration de CO2 absorbé à une température moyenne du volume de mesure. La GRT est donc utilisée pour la mesure d’indice de réfraction au cours de l’absorption avec réaction chimique et, la quantité de CO2 captée par unité de volume est mesurée à plusieurs hauteurs de chute. Les mesures sont ensuite comparées aux prédictions d’un modèle de transfert de matière dans une goutte résolu numériquement sous COMSOL Multiphysics. Dans un deuxième temps, l’étude s’intéresse à la caractérisation du transfert de matière côté gaz en mesurant par spectrométrie infra-rouge la quantité de CO2 présente dans la phase gaz lors de l’absorption de celui-ci par une solution aqueuse de MEA à 30 % massique. Les résultats sont présentés sous forme d’efficacité de captage et un coefficient de transfert de matière côté gaz est calculé, en fonction de paramètres opératoires tels que les débits gazeux et liquide.Ces travaux de thèse, appliqués au captage du CO2, traite principalement de la mesure de transfert de matière grâce à la GRT pour la première fois utilisée à une absorption avec réaction chimique. La méthode développée permettra son utilisation pour d’autres systèmes chimique.Pollutant capture, especially of CO2, is still a major challenge nowadays.CO2 capture based on absorption with chemical reaction by aqueous solutions of amines is the most mature technique for post-combustion gas cleaning.The substitution of packed columns by spray columns presents an economical interest since the exchange area between both gas and liquid phases is very important, reducing the size of the absorption column. In addition, gas side pressure losses are avoided and maintenance costs are reduced.The aim of this thesis is to characterize mass transfer in a spray column during a CO2 absorption by an aqueous solution of monoethanolamine (MEA) by using a new optical technique.The study focuses on the characterization of the local mass transfer between MEA spray and a CO2 atmosphere. In order to achieve this, a non-intrusive optical technique is used: Global Rainbow Technique (GRT). This technique measures the refractive index of droplets in a local portion of the spray. Therefore, the measurement is local with a volume of few cubic millimeters.The refractive index of a solution depends on its temperature and its concentration. Thus, by using a prior calibration in a stirred reactor, the refractive indices of CO2 loaded MEA solutions are correlated with their temperatures and CO2 absorbed concentration. Therefore, measuring refractive index is a measurement of mass transfer extent.GRT is then used during CO2 absorption with chemical reaction, and the amount of CO2 captured per volume unit is measured at several column heights. The experimental results are then compared with mass transfer predictions in a droplet with a model numerically solved in COMSOL Multiphysics.In another hand, gas side mass transfer is characterized by measuring the amount of CO2 in the gas phase with infrared spectrometry during CO2 absorption in an aqueous solution of 30 % MEA. The results are presented in term of capture efficiency and a gas-side mass transfer coefficient is calculated as a function of operating parameters such as gas and liquid flow rates.This work, applied to CO2 capture, deals with mass transfer measurement with GRT through a first application to absorption with chemical reaction. The developed method in this thesis will allow its use for other chemical systems