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أ REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT S

أ REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE N° D'ORDRE: SERIE: UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE FACULTÉ DES SCIENCES DE L'INGÉNIEUR DÉPARTEMENT DE CHIMIE INDUSTRIELLE THÈSE En vue de l'obtention DU DOCTORAT EN SCIENCES EN GENIE DES PROCEDES Par AZEDDINE KABOUCHE - Jury – MR. M. KADJA Professeur, Université de Constantine Président Mr A.H. MENIAI Professeur, Université de Constantine Rapporteur Mr E. MALEK RASSOUL Professeur, Centre Universitaire Larbi Ben M’Hidi O. E. Bouaghi Examinateur MR. M. BENCHEIKH – LEHOCINE Professeur, Université de Constantine Examinateur Mr D. BARKAT MC, Université Med Khider, Biskra Examinateur 03 / Mars/ 2007 Etude de l’élimination de CO2 et H2S par absorption utilisant des solutions d’alcanolamines. Test du couplage de différentes théories de transfert de matière ب RESUME Différentes techniques de dépollution des émissions gazeuses existent, parmi lesquelles l’absorption par des solutions d’alcanolamines qui a été retenue dans le présent travail, sous l’aspect de la modélisation. La théorie du double film a été prise en considération pour quantifier ce transfert par le biais des lois de Fick et de Maxwell-Stefan. Néanmoins pour la modélisation de la colonne et la simulation du contacteur, deux modèles, l’un d’équilibre et l’autre de non équilibre, ont été adoptés. Le modèle général est une sorte de combinaison de différents modèles tels que le modèle cinétique qui permet de quantifier le terme de source dans l’équation de continuité, le modèle de transfert qui donne la relation entre les concentrations et les flux de matière, finalement le modèle thermodynamique qui permet de résoudre le problème de la physico- chimie. Il peut être conclu, à partir des résultats obtenus, que chacun des deux modèles de colonne, présente certains avantages. Le premier, le modèle de non équilibre, est plus général et permet l’incorporation des différents potentiels à la fois, avec toutefois un inconvénient sa complexité. Le modèle d’équilibre par contre est recommandé dans les cas de simulation où une certaine idéalité des systèmes prévaut. Mots clés : Absorption; Alcanolamines ; Modèle d’équilibre ; Modèle de non équilibre; Loi de Fick, Loi de Maxwell-Stefan ج ﻣﻠﺨﺺ ﻟﻘﺪ اﺻﺒﺤﺖ اﻹﻓﺮاز اﻟﻐﺎزﯾـﺔ ﻣﺴﺄﻟﺔ ﺳﯿﺎﺳﯿﺔ ﻧﻀﺮا ﻟﺘﺄﺛﯿﺮھﺎ ﻋﻠﻰ اﻟﺒﯿﺄة و ﻣﺸﺎﻛﻞ اﻟﺘﻠﻮث . ﻋﺪة ﺣﻠﻮل اﻗﺘﺮﺣﺖ ، ﻣﻦ ﺑﯿﻨﮭﺎ ﻃﺮﯾﻘﺔ اﻹ ﻣﺘﺼﺎص ﺑﺎﺳﺘﻌﻤﺎل اﻷﻟﻜﻨﻮﻻﻣﯿﻨﺎت . اﻟﺘﺼﻤﯿﻢ اﻟﻨﻤﻮذﺟﻰ ﯾﺮﺗﻜﺰ ﻋﻠﻰ ﻧﻀﺮﯾﺔ اﻟﻐﺸﺎءﯾﻦ و اﻟﺘﻰ ﺑﺪورھﺎ ﺗﻌﺘﻤﺪ ﻋﻠﻰ ﻧﻀﺮﯾﺔ ﻗﯿﻚ او ﻣﺎﻛﺴﻮال ﺳﺘﯿﻔﺎن . و ﻟ ﻜﻦ ﻟﺘﺼﻤﯿﻢ اﻟﺠﮭﺎز اﻟﻤﻤﺘﺺ ﻟﺒﺪ ﻣﻦ اﺳﺘﻌﻤﺎل ﻧﻤﻮذج اﻟﺘﻮازن او ﻏﯿﺮ اﻟﺘﻮازن او ﻏﯿﺮھﻤﺎ . اﻟﻨﻤﻮذج اﻟﻌﺎم ھﻮ ﻋﺒﺎرة ﻋﻦ اﺗﺼﺎﻻت ﻣﻠﺘﻔﺔ ﺑﯿﻦ ﻧﻤﺎذج اﺧﺮى , ﻛﻨﻤﺬوذج اﻟﺤﺮﻛﯿﺔ و ﺗﻮل اﻟﻤﺎدة . ﺑﻌﺪ ﺗﻄﺮﻗﻨﺎ ﻟﻨﻤﻮذﺟﯿﻦ , ﻧﺴﺘﻄﯿﻊ ان ﻧﺴﺘﺨﻠﺺ أن ﻛﻠﯿﮭﻤﺎ ﺻﺎﻟﺢ اﻹﺳﺘﻌﻤﺎل ﻓﻰ اﻟﻀﺮوف اﻟﻤﻨﺎﺳﺒﺔ .ﻟﮫ ﻛﻠﻤﺎ ت ﻣﻔﺘﺎﺣﯿﺔ : اﻹ ﻣﺘﺼﺎص ; اﻷﻟﻜﻨﻮﻻﻣﯿﻨﺎت ; ﻧﻤﻮذج اﻟﺘﻮازن ا ; ﻧﻤﻮذج ﻏﯿﺮ اﻟﺘﻮازن ; ﻧﻀﺮﯾﺔ ﻗﯿﻚ ; ﻧﻀﺮﯾﺔ ﻣﺎﻛﺴﻮال ﺳﺘﯿﻔﺎن د ABSTRACT Different techniques of depollution of gaseous emissions existent, among which the absorption by means of alkanolamine solutions, which has been retained in the present work, under the modelling aspect. The double film theory has been taken into consideration to quantify this transfer by means of the laws of Fick and Maxwell-Stefan. However, for the modelling of the column and the simulation of the contactor, two models, one of equilibrium and the other of non equilibrium, have been adopted. The general model is a sort of combination of different models such as that of kinetic which enables to quantify the source term in the continuity equation, the transfer model which gives the relation between the concentrations and the mass fluxes, and finally the thermodynamic model which enables the resolution of the physico-chemical problem. It can be concluded from the obtained results, that each of the two column models, presents certain advantages. The first, the non equilibrium model, is more general and enables the incorporation of different potentials, simultaneously, but with an inconvenient, its complexity. The equilibrium model is recommended for simulation cases where a certain system ideality prevails. Keywords: Absorption; Alkanolamines ; Double film; Fick’s law, Maxwell-Stefan’s law Remerciements ه Avant tout je dois remercier Dieu le tout puissant qui m’a permis de mener à terme ce travail; Je tiens à exprimer toute ma gratitude à mon directeur de thèse A.H Meniai, Professeur à l’université de Constantine et directeur du laboratoire LIPE, pour m’avoir dirigé le long du parcours doctoral et pour son application dans la finalisation de la thèse; Qu’il reçoit l’expression de remerciements les plus sincères; Ce fut agréable de travailler avec lui, d’abord durant la préparation du Magister puis du Doctorat. Encore une fois, je lui serai toujours reconnaissant; Je tiens à remercier le Professeur Kadja Mahfoud qui m’a honoré en acceptant de présider le jury; Je remercie également le Professeur E. Malek Rassoul du Centre universitaire Larbi Ben M’Hidi d’Oum El Bouaghi, le Professeur M Bencheikh Lehocine de l’université de Constantine et le Professeur D. Barkat de l'université Mohamed Khider de Biskra pour avoir accepté d’examiner mon travail; Je remercie également les Professeurs Mr Bouallou Chakib, de l’école des mines de paris, Mr Gary T. Rochelle, de l’université de Texas à Austin, Mr Krishna Ross de l’université d’Amsterdam, Mr John Caroll de l’université d’Alberta, et Mr Gorak A. de l’université de Dortmund, tant pour leurs conseils que pour la documentation personnelle; Un remerciement particulier aux Professeurs Henri Delmas, Michel Meyer et Michel Prevost pour l’attention accordée à mon travail au cours d’un débat fructueux à L’ENSIACET de TOULOUSE et pour m’avoir accueilli au laboratoire de génie chimique sans oublier Mourad Korichi pour le chaleureux accueil d’abord à Blagnac et pour l’agréable séjour à Daniel Faucher. Enfin, j’espère que ce travail soit la bonne expression de ma gratitude. و DEDICACES Il est un plaisir immense de partager ma joie avec ma grande et petite famille, mes amis, mes collègues et toute la communauté scientifique, espérant que cette thèse permettra de transmettre notre point de vu et servira à d’éventuels développements. Je dédie ce modeste travail à mes parents : Said & Messaouda A la mémoire de ma grand-mère Wanassa Ma femme : Fouzia Mes filles Sara, Dounia & Ghada A la mémoire de ma défunte sœur Wahiba A la mémoire de mon frère Abdel-Hafid Mes Sœurs : Saliha, Farida & Habiba Mes frères : Toufik, Mustapha, Boubakeur & Fayçal Ma deuxième famille : Mafoud, Manouba, Zlikha, Nacer, Imed & Hassina Mes amis : Amir, Ahmed, H’sen, Laarbi, Lyes… A tous mes collègues de travail. ii SOMMAIRE Nomenclature (iv) Liste des figures (viii) Liste des tableaux (x) Introduction générale 1 Chapitre I : Etude Bibliographique 5 1.1 Procédés d’absorption pour l’élimination de CO2 et H2S 8 1.2 Les axes de recherches en séparation réactive 10 1.2.1 La faisabilité 11 1.2.2 La conception 11 1.2.3 La modélisation et simulation 11 1.3 Notion d’intensification des procédés 12 1.3.1 Organigramme 12 1.3.1a Les réacteurs multifonctionnels 13 1.3.1b Séparation hybrides 14 1.3.1c Sources d’énergie alternative 14 1.3.2. Démarche de la conception 14 1.3.3 Séparations réactives 15 1.3.4 Contraintes physico-chimiques 15 1.3.5 Les contacteurs gaz-liquide 16 1.4 Modélisation 17 1.4.1 Le modèle hydrodynamique ou d’écoulement 19 1.4.2 Les modèles bases sur le transfert de matière et de chaleur 19 1.4.2a Modèle d’équilibre 19 1.4.2b Models de colonnes avec coefficients de transfert 19 1.4.3 Modèles des milieux continus 21 1.4.4 Technique pour la modélisation du transfert entre phase 22 1.4.5 Formulation du des coefficients d’activité 23 1.4.5a Modèle de Debye-Huckel 23 1.4.5b Modèle de Deshmukh-Mather 24 Chapitre II : Les mécanismes cinétiques d’absorption de H2S et CO2 par les alcanolamines 25 2.1 Introduction 25 2.2 Mécanismes cinétiques de réaction de CO2 et H2S dans les solutions aqueuses d’alcanolamines 26 2.2.1 Réaction entre H2S et les amines 27 iii 2.2.2 Cinétique des réactions entre CO2 et les amines primaires et secondaires 28 2.2.3 Cinétique des réactions entre CO2 et les amines tertiaires 31 2.2.3a Le mécanisme global : 34 2.2.3b Cas du mélange d’amines 34 2.3 Procédés de désacidification du gaz naturel 35 2.3.1 Les procédés hybrides 37 2.3.2 Procédés utilisant les activateurs des amines tertiaires 37 2.4 Propriétés physico-chimiques des solutions d’alcanolamines 38 2.4.1 Masse volumique 38 2.4.2 Constante de Henry 39 2.4.3 Viscosité des solutions aqueuses d’alcanolamines 42 2.4.4 Diffusion de CO2 dans les alcanolamines 43 2.4.5 Diffusivité de H2S dans les solutions d’alcanolamines 44 2.4.6 Diffusivité des ions et des anions 44 2.4.7 Diffusivité des amines en solution aqueuse 44 2.4.8 Diffusivité des ions en solutions aqueuses d’amines 45 2.4.9 Coefficient de diffusion binaire dans la phase gaz 47 2.4.10 Utilisation du coefficient de diffusion 47 Chapitre III : Modélisation du transfert de matière 50 3.1 La loi de Fick 50 3.2 Dérivation des équations de Maxwell-Stefan 52 3.2.1 Equations de Maxwell-Stefan pour des systèmes binaires et ternaires 52 3.2.2 Equations de Maxwell-Stefan pour les systèmes à plusieurs constituants 55 3.3 Force motrice et non idéalité 57 3.4 Comparaison des Equations de Maxwell-Stefan et des équations de Fick 58 3.5 Les systèmes électrolytes 59 3.6 Théorie du double film 61 3.6.1 Equation de continuité 61 3.7 Modélisation de l’absorption de CO2 par MDEA 62 3.7.1 Modèle 1 62 3.7.1a Les conditions uploads/Litterature/ kab-4789.pdf