Conception et optimisation de procédés de séparation
Les applications visées vont de l’hydrométallurgie, à l’environnement en passant par la valorisation de la biomasse végétale et de ses coproduits. L’expertise reconnue en chimie et génie de l’extraction liquide-liquide de l’équipe a permis de répondre aux cahiers des charges des industriels en mettant au point des procédés optimisés et validés à l’échelle pilote.
L’objectif poursuivi dans l'étude présentée ici, est d’évaluer les performances en termes de rendement et de qualité méthane d’un procédé d’absorption physique utilisant un contacteur à membrane, technologie inspirée du poumon artificiel. Ceci permet de traiter avantageusement de faibles débits de biométhane d’origine agricole. Un pilote expérimental modulaire (150-880 NL Biogaz.h-1) a permis de produire un biométhane répondant aux spécifications de l’injection réseau. Parmi les limites connues du procédé, l’effet de l’humidification de la membrane sur le débit d’absorption du C02 reste limité (< 10.5%) et a été reproduit par simulation avec un code de mécanique des fluides(1).
En revanche, on observe une diminution significative du coefficient volumique de transfert du CO2 (facteur 2 à 3). L’intégration d’une boucle de recyclage et l’emploi d’une solution aqueuse saline (KCl) ont permis de breveter un procédé atteignant les performances visées (Rendement en CH4 = 98,7% ; teneur CH4 = 97,5%), pour un flux transmembranaire de 42 NL CO2m2.h-1. Un modèle original de transfert a été développé pour prendre en compte la géométrie spécifique du module membranaire. Optimisé et validé pour l’absorption de dioxyde de carbone pur, cet outil numérique a nécessité l’optimisation d’une correction additionnelle inspirée des lois de diffusion pour décrire la limite observée en présence d’un mélange de gaz (figure ci-dessous). In fine une mise à l’échelle est proposée pour trois unités industrielles (100, 250 et 500 Nmbiogaz3.h-1). Les dimensionnements obtenus par analyse dimensionnelle et par modélisation numérique sont cohérents (écarts < 40%). Ce projet s’est poursuivi par des travaux de simulation numérique pour évaluer l’effet de la pression transmembranaire pour le mouillage partiel de la membrane.
Prédictions numériques et observations expérimentales du flux transféré au travers du contacteur dans trois configurations discriminantes.
Champ de méthane en phase gaz et ligne de courant du liquide au sein du contacteur
Quelques exemples d'autres études réalisées :
La modélisation de la séparation de cobalt et nickel contenus dans un jus de lixiviation multiélémentaire de ferronickels (Mg, Mn, Zn) a permis d’identifier les configurations optimales permettant de maintenir les hautes performances de séparation des métaux tout en réduisant les consommations onéreuses- de réactifs pour la société ERAMET.
Une autre application innovante concernant le dessalement de l’eau de mer par extraction liquide-liquide utilisant un mélange original extractant-diluant spécifique, pouvant remplacer avantageusement les procédés usuels d’osmose inverse a été optimisée et testée à l’échelle pilote pour la start-up ADIONICS.
L’utilisation de biomasses lignocellulosiques non comestibles pour produire des biomolécules est séduisante dans le cadre de la substitution du carbone fossile. Ceci passe par des procédés de fractionnement dont l’économie nécessite la valorisation des coproduits. L’étude pour EURODIA a permis de démontrer jusqu’à l’échelle pilote que la chromatographie préparative a sa place pour la séparation de mélanges d’acides organiques considérés comme des molécules plateformes pour l’industrie chimique sous réserve que le niveau de pureté atteint soit élevé. Un projet en cours financé par la chaire CEBB vise à développer la chromatographie à lit mobile simulé des deux principaux pentoses contenus dans les hydrolysats d’hémicellulose.
La valorisation de la biomasse en énergie a permis de travailler la purification de biométhane, à l’aide de trois procédés. Une première étude en collaboration avec l’ENSTA et AIR LIQUIDE (financement IDEX) a permis d’évaluer la faisabilité d’épuration d’un biométhane reposant sur la formation sélective d’hydrate de gaz piégeant le dioxyde de carbone facilitée par la présence de promoteurs thermodynamiques et cinétiques. La seconde étude en cours (financement Air Liquide) est dédiée au procédé PSA (pressure swing adsorption) et s’attache à représenter la dynamique des transferts couplés de matière et chaleur en interconnectant au mieux les différents sous-modèles utilisés pour décrire ces phénomènes au sein de la colonne, du grain d’adsorbant ainsi que des cristaux composant le grain.
Références : (1) Fougerit V., Pozzobon V., Pareau D., Theoleyre M-A., Stambouli M., 2017, Gas-liquid absorption in industrial cross-flow membrane contactors: Experimental and numerical investigation of the influence of transmembrane pressure on partial wetting, Chem. Eng. Sci 170: 561-573.