Ce travail de thèse rentre dans le cadre du développement de modèles multi‐échelles de simulation de colonne d’absorption gaz‐liquide pour des applications de captage de CO2 en vue d’optimiser leur design. Il est le fruit d’une collaboration entre IFP Énergies nouvelles et l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Les colonnes à garnissages représentent une technologie essentielle aux applications d’absorption gaz‐liquide. Dans les procédés de captage de CO2 aux amines, le solvant liquide s’écoule sur les parois du garnissage, idéalement sous forme de film ruisselant mouillant toute la surface disponible, le gaz, en régime turbulent, venant le cisailler à contre‐courant de manière à promouvoir un transfert de CO2 de la phase gaz vers la phase liquide. Un écoulement le plus homogène possible permet d’avoir les meilleures performances de transfert. Toutefois, l’expérience montre que des maldistributions, notamment de la phase liquide, peuvent apparaître même en cas de bonnes distributions en entrée de colonne. La distribution du liquide est régie par un phénomène de « dispersion » dont l’étude et la modélisation représentent le principal objet de cette thèse. Pour ce faire, ce travail de thèse s’appuie sur des travaux expérimentaux, réalisés sur une installation d’IFPEN à Lyon, et sur des travaux numériques réalisés dans l’équipe Interface de l’IMFT. Le premier axe de l’étude abordé a ainsi consisté en l’acquisition de données originales de distribution de liquide en partant d’une configuration d’alimentation sous forme d’un jet central en tête de colonne et ce pour deux types de garnissages métalliques : un garnissage structuré, le Mellapak 250.X et un garnissage vrac, l’IMTP‐40. La méthode de tomographie gamma a été mise en œuvre afin de mesurer l’atténuation d’un flux photonique par le liquide en mouvement ce qui permet d’établir des cartes de rétention locale de liquide sur une section de colonne. Les profils de rétention résultants ont été ensuite exploités afin de caractériser la dispersion de liquide dans le système pour des régimes d’écoulement allant des plus faibles aux plus fortes interactions gaz‐liquide. Ces résultats ont permis de développer un modèle simple d’advection diffusion faisant appel à un paramètre hydrodynamique clé qui est le « coefficient de dispersion », qui reproduit bien l’étalement du jet de liquide. Dans le cas du garnissage Mellapak 250.X nous avons pu mettre en évidence une dispersion qui est régie essentiellement par la géométrie du milieu. Le cas du garnissage IMTP‐40 montre, lui, que la dispersion s’opère par des mécanismes plus complexes dus à la coexistence de plusieurs modes d’écoulement incluant des filets de liquide et des gouttes avec une forte sensibilité aux débits de liquide et de gaz. Le deuxième axe de l’étude a consisté à proposer et valider un modèle de simulation numérique de l’écoulement gaz‐liquide à contre‐courant permettant de retrouver ces phénomènes de dispersion. Un modèle Euler‐Euler offrant la possibilité de modéliser le système à une macroéchelle associé à une description du garnissage par un milieu poreux équivalent a été retenu. Les bases théoriques du modèle en question ont été investiguées et discutées et les différents termes à modéliser mis en évidence. Nous avons par la suite, en s’appuyant également sur des travaux antérieurs, identifié et discuté les principales propositions de modèles de fermeture du système d’équation de Navier‐stokes dans chacune des phases. Des simulations ont été effectuées sur la base de ce modèle en utilisant le code Fluent pour le cas particulier du garnissage structuré. Des résultats en bon accord avec l’expérience sont obtenus tant en termes de perte de charge que de rétentions locales. Les écarts en termes d’étalement du jet de liquide nous ont permis, pour leur part, de discuter le modèle de dispersion adopté, d’en dégager les limites et de proposer des améliorations à mettre en œuvre pour les travaux postérieurs. Enfin, et de manière indépendante, nous avons proposé une extension du modèle de frottement interfacial proposé par Iliuta et al. (2004) pour des régimes de fortes interactions entre phases permettant de mieux représenter l’écoulement et notamment de reproduire les courbes de perte de charge au‐delà du point de charge.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:univ-toulouse.fr/oai:oatao.univ-toulouse.fr:8527 |
| Date | 16 November 2012 |
| Creators | Fourati, Manel |
| Source Sets | Université de Toulouse |
| Detected Language | French |
| Type | PhD Thesis, PeerReviewed, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00002085/, http://oatao.univ-toulouse.fr/8527/ |
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