Le schéma traditionnel d'utilisation de l'énergie est désormais considéré comme un problème sérieux en raison de sa relation directe avec le changement climatique. Actuellement, notre dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles augmente de façon spectaculaire, ce qui peut être attribué à la croissance de la population mondiale et à la forte demande d'énergie pour le développement économique. Ce modèle semble être préférable uniquement pour une économie florissante, mais ses perspectives pour les générations futures seront sans aucun doute décevantes. Dans ce scénario, un volume gigantesque de CO₂ produit par la combustion des combustibles fossiles dans les industries chimiques, les cimenteries et les centrales électriques, est rejeté de manière irresponsable dans l'atmosphère. Il ne fait aucun doute qu'une telle exploitation des combustibles fossiles nous conduit à des catastrophes environnementales sans précédent en ce qui concerne l'émission de CO₂, qui est le principal contributeur aux gaz à effet de serre (GES). L'une des solutions disponibles pour faire face à cette situation critique est de moderniser les centrales existantes qui émettent du CO₂ avec des technologies de capture et de stockage du carbone (CSC) afin de lutter systématiquement contre le changement climatique. Toutefois, les technologies actuelles de CSC présentent encore des problèmes techniques et des limites opérationnelles qui entraînent un surcoût pour les dépenses d'une usine et une augmentation de sa consommation d'énergie. La technologie membranaire est actuellement considérée comme une méthode de séparation prometteuse pour la séparation des gaz en raison de la simplicité de son procédé et de son mécanisme écologique. Par rapport aux autres méthodes de séparation, cette technologie est encore en cours de développement. Actuellement, la recherche se concentre sur l'amélioration des caractéristiques des membranes afin de faire face à un compromis bien connu entre la perméabilité et la sélectivité décrit par les graphiques de Robeson. Cette approche pourrait viser à commercialiser cette technologie plus efficacement dans le domaine de la séparation des gaz, tandis qu'une technologie d'absorption à base d'amines sera encore utilisée de manière dominante à cette fin pendant plusieurs années. Malgré cela, il est également nécessaire d'évaluer la performance des membranes fabriquées pour la séparation de différents mélanges de gaz avant de les utiliser pour des projets industriels réalistes. Pour ce faire, un outil de simulation est nécessaire pour prédire la composition des composants gazeux dans les flux de produits du rétentat et du perméat dans différentes conditions de fonctionnement. Ainsi, au chapitre 1, un modèle fiable est développé pour la simulation de la séparation des gaz à l'aide de modules de membranes à fibres creuses. Ensuite, ce modèle permet d'identifier les propriétés requises de la membrane, ce qui permet d'obtenir des performances intéressantes pour le module. Un procédé membranaire à plusieurs étapes est nécessaire pour atteindre les spécifications du produit qui sont une pureté et une récupération élevées du CO₂ dans le cas de projets de capture du CO₂. Dans ce cas, au chapitre 2, un modèle d'optimisation est proposé pour déterminer les valeurs optimales des paramètres de fonctionnement pour chaque étape et surtout pour déterminer une disposition optimisée à différents taux de récupération tout en minimisant le coût de la capture du CO₂. Dans le chapitre 3, nous comparons les performances de séparation de la technologie membranaire et du procédé d'absorption enzymatique en effectuant plusieurs analyses technico-économiques. Cette approche vise à démontrer la viabilité technique et l'efficacité économique de ces méthodes pour la modernisation d'une centrale électrique de 600 MWe par rapport aux procédés traditionnels d'absorption à base d'amines. Enfin, au chapitre 4, un système hybride est présenté en combinant les procédés d'absorption membranaire et enzymatique pour capturer le CO₂ des gaz de combustion d'une centrale électrique de 600 MWe. Ce système hybride est ensuite évalué pour révéler la faisabilité du procédé et pour étudier les performances de séparation en partageant la capture partielle du CO₂ entre ces deux unités de séparation. Dans l'ensemble, cette thèse de doctorat contribue à tirer parti de la fusion de la technologie membranaire avec d'autres méthodes de séparation conventionnelles telles que le procédé d'absorption enzymatique pour faciliter plus rapidement son intégration industrielle et sa commercialisation sur le marché de la séparation des gaz. / The traditional pattern of energy use is now regarded as a serious problem due to its direct relationship to the climate change. Currently, our dependency on fossil fuels is dramatically increasing which can be attributed to the world population growth and heavy energy demand for economic development. This model appears to be preferable only for flourishing economy but undoubtedly its outlook for the future generations will be disappointing. Under this scenario, a gigantic volume of CO₂ produced by burning the fossil fuels in chemical industries, cement manufactures, and power plants, is recklessly released in the atmosphere. Undoubtedly, such exploitation of the fossil fuels is bringing us further to unprecedented environmental disasters pertaining to the emission of CO₂ which is the major contributor to the greenhouse gases (GHGs). One of the available solutions to deal with this critical situation is to retrofit existing CO₂ emitter plants with carbon capture and storage (CCS) technologies in order to systematically combat with the climate change. However, the current CCS technologies still have technical issues and operational limitations resulting in incurring extra cost to a plant’s expenditures and increasing its energy consumption. Membrane technology is currently regarded as a promising separation method for gas separation due to its process simplicity and eco-friendly mechanism. In comparison to other separation methods, this technology is still under progress. Currently, the research focus is on the enhancement of membrane characteristics in order to deal with a well-known trade-off between permeability and selectivity described by Robeson plots. This approach might aim at commercializing this technology more efficiently in the gas separation area while an amine-based absorption technology will still be dominantly utilized for this purpose for several years. Despite this, it is also needed to evaluate the performance of fabricated membranes for the separation of different gas mixtures prior to utilizing for realistic industrial projects. To do so, a simulation tool is required to predict the composition of gas components in retentate and permeate product streams under different operating conditions. Thus, in Chapter 1, a reliable model is developed for the simulation of gas separation using hollow fiber membrane modules. Later, this model allows identifying the required membrane properties hence, resulting in module performances of interest. A multi-stage membrane process is required to hit product specifications which are high CO₂ purity and recovery in the case of CO₂ capture projects. In this case, an optimization model is proposed in Chapter 2 to determine the optimal values of operating parameters for each stage and more importantly to determine an optimized layout at different recovery rates while CO₂ capture cost is minimized. In Chapter 3, we compare the separation performance of membrane technology and the enzymatic-absorption process through performing several techno-economic analyses. This approach aims at demonstrating the technical viability and economic efficiency of these methods for retrofitting to a 600 MWe power plant compared to traditional amine-based absorption processes. Finally, a hybrid system is introduced in Chapter 4 by combining membrane and enzymatic-absorption processes to capture CO₂ from flue-gas of a 600 MWe power plant. This hybrid system is then assessed to reveal the process feasibility and to investigate separation performance through sharing partial CO₂ capture between these two separation units. Overall, this PhD thesis contributes to leverage the merge of membrane technology with other conventional separation methods such as the enzymatic-absorption process to more rapidly facilitate its industrial integration and commercialization in the gas separation market.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/66983 |
| Date | 11 April 2024 |
| Creators | Gilassi, Sina |
| Contributors | Rodrigue, Denis, Taghavi, Seyed Mohammad, Kaliaguine, S. |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xv, 196 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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