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Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables
Direction Chimie et Physico-chimie appliquées – Département Thermodynamique et simulation moléculaire – Réunion AFA 2012, 24 – 25 mai 2012©20
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Est-il nécessaire de prendre en compte les contraintes de procédé
dans la modélisation moléculaire de l’adsorption ?
Carlos Nieto-Draghi
Est-il nécessaire de prendre en compte les contraintes de procédé dans la modélisation moléculaire de l’adsorption ? – 24 – 25 mai 20122
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Contexte
Capture, transport et séquestration du CO2
� ProcProcProcProcééééddddéééés adapts adapts adapts adaptéééés pour la capture de s pour la capture de s pour la capture de s pour la capture de COCOCOCO2 2 2 2 ((((ssssééééparation COparation COparation COparation CO2222/N/N/N/N2222))))� Membranes (problMembranes (problMembranes (problMembranes (problèèèème de la Sme de la Sme de la Sme de la SA/BA/BA/BA/B))))� Absorption (Amines, solvants organiques)Absorption (Amines, solvants organiques)Absorption (Amines, solvants organiques)Absorption (Amines, solvants organiques)
� COCOCOCO2222 99 %, co99 %, co99 %, co99 %, coûûûût de rt de rt de rt de rééééggggéééénnnnéééérationrationrationration� OxycombustionOxycombustionOxycombustionOxycombustion
� En prEn prEn prEn préééésence dsence dsence dsence d’’’’OOOO2222 pure (copure (copure (copure (coûûûût t t t éééélevlevlevlevéééé), ), ), ), ssssééééparation dparation dparation dparation d’’’’HHHH2222O par autres mO par autres mO par autres mO par autres mééééthodes.thodes.thodes.thodes.
� AdsorptionAdsorptionAdsorptionAdsorption� PrPrPrPréééé combustion (idcombustion (idcombustion (idcombustion (idééééal pour le gaz de al pour le gaz de al pour le gaz de al pour le gaz de
synthsynthsynthsynthèèèèse)se)se)se)� Post combustion (PSA ou VSA)Post combustion (PSA ou VSA)Post combustion (PSA ou VSA)Post combustion (PSA ou VSA)
[1] Herzog, H.; Golomb, D. A. N. In Encyclopedia of Energy; 2004; Vol. 1, pp. 277-287.
Est-il nécessaire de prendre en compte les contraintes de procédé dans la modélisation moléculaire de l’adsorption ? – 24 – 25 mai 20123
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Unité PSA / VSA
�Injection : Insertion du mélange gazeux dans la colonne de séparation.
�Séparation : Grâce à la sélectivité des adsorbants, différente de propagation des gaz dans la colonne.
�Régénération : Inversement du courant et régénération de la colonne de séparation.
Exemple de processus de séparation : PSA
Est-il nécessaire de prendre en compte les contraintes de procédé dans la modélisation moléculaire de l’adsorption ? – 24 – 25 mai 20124
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Unité PSA / VSA
Quels sont les qualités recherchés pour un bon adsorbent ?
Exemple de processus de séparation : PSA
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� Optimiser la capacitOptimiser la capacitOptimiser la capacitOptimiser la capacitéééé de sde sde sde sééééparation du COparation du COparation du COparation du CO2222 àààà moindre moindre moindre moindre cocococoûûûût en incluant les contraintes des proct en incluant les contraintes des proct en incluant les contraintes des proct en incluant les contraintes des procééééddddéééés PSA !s PSA !s PSA !s PSA !� Variables de design dVariables de design dVariables de design dVariables de design d’’’’un point de vue de lun point de vue de lun point de vue de lun point de vue de l’’’’optimisation des optimisation des optimisation des optimisation des
matmatmatmatéééériaux riaux riaux riaux � SSSSéééélectivitlectivitlectivitlectivitéééé (S(S(S(SA/BA/BA/BA/B ↑↑↑↑))))� CapacitCapacitCapacitCapacitéééé de charge de charge de charge de charge éééélevlevlevlevéééée (e (e (e (∆∆∆∆NNNN ↑↑↑↑) ) ) ) � Facilement rFacilement rFacilement rFacilement rééééggggéééénnnnéééérable (rable (rable (rable (qqqqstststst°°°° ↓↓↓↓))))� Peu onPeu onPeu onPeu onééééreux (reux (reux (reux (€€€€ ↓↓↓↓))))� Chimiquement stable (problChimiquement stable (problChimiquement stable (problChimiquement stable (problèèèème dme dme dme d’’’’humidithumidithumidithumiditéééé))))
� Contraintes de procContraintes de procContraintes de procContraintes de procééééddddééééssss� Augmentation du temps entre deux cycles de rAugmentation du temps entre deux cycles de rAugmentation du temps entre deux cycles de rAugmentation du temps entre deux cycles de rééééggggéééénnnnéééération (ration (ration (ration (ττττ ↑↑↑↑))))� CoCoCoCoûûûût de compression (vide) (t de compression (vide) (t de compression (vide) (t de compression (vide) (€€€€ ↓↓↓↓))))
� Cas particuliCas particuliCas particuliCas particulièèèère des matre des matre des matre des matéééériaux oriaux oriaux oriaux oùùùù il nil nil nil n’’’’y a pas beaucoup y a pas beaucoup y a pas beaucoup y a pas beaucoup des donndes donndes donndes donnéééées es es es –––– MOF vs ZMOF vs ZMOF vs ZMOF vs Zééééolites, charbons olites, charbons olites, charbons olites, charbons � →→→→ usage intensif de la simulation molusage intensif de la simulation molusage intensif de la simulation molusage intensif de la simulation molééééculaire !culaire !culaire !culaire !
Objectifs
� Optimiser la capacitOptimiser la capacitOptimiser la capacitOptimiser la capacitéééé de sde sde sde sééééparation du COparation du COparation du COparation du CO2222 àààà moindre moindre moindre moindre cocococoûûûût en incluant les contraintes des proct en incluant les contraintes des proct en incluant les contraintes des proct en incluant les contraintes des procééééddddéééés PSA !s PSA !s PSA !s PSA !� Variables de design dVariables de design dVariables de design dVariables de design d’’’’un point de vue de lun point de vue de lun point de vue de lun point de vue de l’’’’optimisation des optimisation des optimisation des optimisation des
matmatmatmatéééériaux riaux riaux riaux � SSSSéééélectivitlectivitlectivitlectivitéééé (S(S(S(SA/BA/BA/BA/B ↑↑↑↑))))� CapacitCapacitCapacitCapacitéééé de charge de charge de charge de charge éééélevlevlevlevéééée (e (e (e (∆∆∆∆NNNN ↑↑↑↑) ) ) ) � Facilement rFacilement rFacilement rFacilement rééééggggéééénnnnéééérable (rable (rable (rable (qqqqstststst°°°° ↓↓↓↓))))� Peu onPeu onPeu onPeu onééééreux (reux (reux (reux (€€€€ ↓↓↓↓))))� Chimiquement stable (problChimiquement stable (problChimiquement stable (problChimiquement stable (problèèèème dme dme dme d’’’’humidithumidithumidithumiditéééé))))
� Contraintes de procContraintes de procContraintes de procContraintes de procééééddddééééssss� Augmentation du temps entre deux cycles de rAugmentation du temps entre deux cycles de rAugmentation du temps entre deux cycles de rAugmentation du temps entre deux cycles de rééééggggéééénnnnéééération (ration (ration (ration (ττττ ↑↑↑↑))))� CoCoCoCoûûûût de compression (vide) (t de compression (vide) (t de compression (vide) (t de compression (vide) (€€€€ ↓↓↓↓))))
� Cas particuliCas particuliCas particuliCas particulièèèère des matre des matre des matre des matéééériaux oriaux oriaux oriaux oùùùù il nil nil nil n’’’’y a pas beaucoup y a pas beaucoup y a pas beaucoup y a pas beaucoup des donndes donndes donndes donnéééées es es es –––– MOF vs ZMOF vs ZMOF vs ZMOF vs Zééééolites, charbons olites, charbons olites, charbons olites, charbons � →→→→ usage intensif de la simulation molusage intensif de la simulation molusage intensif de la simulation molusage intensif de la simulation molééééculaire !culaire !culaire !culaire !
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� Variables Variables Variables Variables àààà modifier : Changement de la chimie de modifier : Changement de la chimie de modifier : Changement de la chimie de modifier : Changement de la chimie de surface du solide (surface du solide (surface du solide (surface du solide (sodsodsodsod----ZIFsZIFsZIFsZIFs hypothhypothhypothhypothéééétiques tiques tiques tiques →→→→ polaritpolaritpolaritpolaritéééé))))[1][1][1][1]
Optimisation des interactions gaz-solide → SA/B
Variation du moment dipolaire du ligand (µ)
[1] Amrouche, H.; Aguado, S.; Perez-Pellitero, J.; Chizallet, C.; Siperstein, F.; Farrusseng, D.; Bats, N.; Nieto-Draghi, C. JPC C 2011, 115, 16425-16432.
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� Quelques exemples dans la littQuelques exemples dans la littQuelques exemples dans la littQuelques exemples dans la littéééérature !rature !rature !rature !� CaractCaractCaractCaractééééristiques gristiques gristiques gristiques gééééomomomoméééétriques (triques (triques (triques (ddddpppp, S, S, S, Saaaa, , , , φφφφpppp) et chimiques du ) et chimiques du ) et chimiques du ) et chimiques du
solide (groupes fonctionnels, polaritsolide (groupes fonctionnels, polaritsolide (groupes fonctionnels, polaritsolide (groupes fonctionnels, polaritéééé). Simulations GCMC). Simulations GCMC). Simulations GCMC). Simulations GCMC
SA/B vs ∆N
[1] Krishna, R.; van Baten, J. M. PCCP 2011, 13, 10593-616.
Comparaison de la sélectivité CO2/N2 @ 300 K dans des conditions PSAsur plusieurs solides (zéolithes et MOFs)[1]
→ NaX→ NaX
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� Quelques exemples dans la littQuelques exemples dans la littQuelques exemples dans la littQuelques exemples dans la littéééérature !rature !rature !rature !� CaractCaractCaractCaractééééristiques gristiques gristiques gristiques gééééomomomoméééétriques (triques (triques (triques (ddddpppp, S, S, S, Saaaa, , , , φφφφpppp) et chimiques du ) et chimiques du ) et chimiques du ) et chimiques du
solide (groupes fonctionnels, polaritsolide (groupes fonctionnels, polaritsolide (groupes fonctionnels, polaritsolide (groupes fonctionnels, polaritéééé). Simulations GCMC). Simulations GCMC). Simulations GCMC). Simulations GCMC
SA/B vs ∆N
[1] Krishna, R.; van Baten, J. M. PCCP 2011, 13, 10593-616.
→ NaX
Comparaison du ∆N pour leCO2 @ 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides (zéolithes et MOFs)[1]
→ MgMOF-74
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� Quelle est la variable la plus importante (SQuelle est la variable la plus importante (SQuelle est la variable la plus importante (SQuelle est la variable la plus importante (SA/BA/BA/BA/B ou ou ou ou ∆∆∆∆NNNN) ?) ?) ?) ?� ModModModModéééélisation dans les conditions dlisation dans les conditions dlisation dans les conditions dlisation dans les conditions d’’’’un procun procun procun procééééddddéééé PSA (courbe de perPSA (courbe de perPSA (courbe de perPSA (courbe de perççççage)age)age)age)
Temps de rétention
[2] Krishna, R.; Baten, J. M. van Sep. & Pur. Tech. 2012, 87, 120-126.
Avec l’hypothèse d’un flux type piston (lit fixe), avec conditions isothermes et pertes de pression négligeables[2] ( ) ( )
t
N
RTz
vp
RTt
p iii
∂∂−+⋅
∂∂+⋅
∂∂ ρεε 1
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� Comparaison Comparaison Comparaison Comparaison ττττ (et temps de recycle 0(et temps de recycle 0(et temps de recycle 0(et temps de recycle 0----ττττbreakbreakbreakbreak) pour le) pour le) pour le) pour le COCOCOCO2222 @ @ @ @ 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides (z(z(z(zééééolithes et olithes et olithes et olithes et MOFsMOFsMOFsMOFs))))[1][1][1][1]
Temps caractéristique
[1] Krishna, R.; Baten, J. M. van Sep. & Pur. Tech. 2012, 87, 120-126.
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� Comparaison Comparaison Comparaison Comparaison ττττ (et temps de recycle 0(et temps de recycle 0(et temps de recycle 0(et temps de recycle 0----ττττbreakbreakbreakbreak) pour le) pour le) pour le) pour le COCOCOCO2222 @ @ @ @ 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides 300 K dans des conditions PSA sur plusieurs solides (z(z(z(zééééolithes et olithes et olithes et olithes et MOFsMOFsMOFsMOFs))))[1][1][1][1]
Temps caractéristique
[1] Krishna, R.; Baten, J. M. van Sep. & Pur. Tech. 2012, 87, 120-126.
∆N est plus corrélé avec 0-τbreak
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qst° et capacité d’adsorption
[1] Yazaydin, a O.; Snurr, R. Q.; Park, T.-H.; Koh, K.; Liu, J.; Levan, M. D.; Benin, A. I.; Jakubczak, P.; Lanuza, M.; Galloway, D. B.; Low, J. J.; Willis, R. R. JACS 2009, 131, 18198-9.
Relation entre la quantitéadsorbée et la chaleur d’adsorption (qst°) à différentes pressions sur plusieurs MOFs.[1]
Lien entre qst° du CO2 et la chimie de surface ?[2]
[2] Amrouche, H.; Aguado, S.; Perez-Pellitero, J.; Chizallet, C.; Siperstein, F.; Farrusseng, D.; Bats, N.; Nieto-Draghi, C. JPC C 2011, 115, 16425-16432.
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Relation qst° f(solide/gaz)
Ar
CH4
C2H6
N2
O2
CO2CO
SO2H2S
CH3CN
H2O
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120qst sim./qst exp. (kJ/mol)
qst p
red
. (k
J/m
ol)
TRAININGTESTEXP
[ ]( )( )( ) [ ]( )
gsgOLgb
sOLst
µµHT
HQq
/43
fg210
ln
n
rr⋅⋅++
⋅++=°
λλ
λλλ
Modèle QSPR obtenu avec une BD→SM, descripteurs solides / gaz (poster).[2]
[2] Amrouge, H.; Creton, B.; Siperstein, F. Nieto-Draghi, C. RSC Advances 2012, DOI: 10.1039/C2RA00025C.B
D 1
7 so
lides
(so
d; r
ho, g
me)
et 1
1 ga
z
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qst° et le température PSA
qst
Cps
( ) ( ) ( )TTht
Nq
t
TCp bstsss −=
∂∂−−−
∂∂ αρερ 1
Balance d’énergie du gaz dans le solide
énergie adsorbée par le solide
énergie dégagée par l’adsorption du gaz
transfère d’énergie entre le gaz et le solide
Tb
T
Variation de la température du système en conditions adiabatiques et non adiabatiques[1]
[1] Rezaei, F.; Grahn, M. Ind. & Eng. Chem. Res. 2012, 51, 4025-4034.
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qst° et le température PSA
qst
Cps
( ) ( ) ( )TTht
Nq
t
TCp bstsss −=
∂∂−−−
∂∂ αρερ 1
Balance d’énergie du gaz dans le solide
énergie adsorbée par le solide
énergie dégagée par l’adsorption du gaz
transfère d’énergie entre le gaz et le solide
Tb
T
[1] Rezaei, F.; Grahn, M. Ind. & Eng. Chem. Res. 2012, 51, 4025-4034.
Courbe de perçage du CO2 en conditions isothermes, non-adiabatiques et adiabatiques[1]
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Modélisation moléculaire
Adsorption du n-butane dans la silicalite-1 (DM hors équilibre)[1]
[1] Inzoli, I.; Simon, J. M.; Kjelstrup, S.; Bedeaux, D. J. of coll. & Inter. Sci. 2007, 313, 563-73.
Variation de la température du solide en fonction du temps (solide T~ctte, à E=ctte, thermalisé via le gaz), T0300 K.
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et l’humidité ?
Schéma d’une unité de capture du CO2 en postcombustion
[1] CO2 Capture - Technologies to reduce Greenhouse Gas emissions Lecomte, F. Eds. Technip, 2009
Fuel
cond. combustion
W&
air
recup. énergie
Q&
impuretés
NOx, VOx
AMINE
N2
Séchage
H2O
Comp. Transp.
CO2
U. Sep.
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et l’humidité ?
Schéma d’une unité de capture du CO2 en postcombustion
[1] CO2 Capture - Technologies to reduce Greenhouse Gas emissions Lecomte, F. Eds. Technip, 2009
Fuel
cond. combustion
W&
air
recup. énergie
Q&
impuretés
NOx, VOx
Comp. Transp.
CO2
PSA
N2
Séchage
H2O
U. Sep.
Prendre en compte la présence des traces d’eau dans la sortie de l’unité de séchage !
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MOF et l’humidité ?
L’eau résiduel est adsorbé au début de la colonne
[1] Amrouge, H.; Creton, B.; Siperstein, F. Nieto-Draghi, C. RSC Advances 2012, DOI: 10.1039/C2RA00025C.
Problème d’stabilité avec les MOF ! Outil rapide pour établir le caractère hydrophile / hydrophobe des MOF[1]
solide
trap
pe d
’eau
H2O
Comparaison du caractère hydrophile / hydrophobe de 17 ZIFs (deux descripteurs !) par GCMC
hydrophobes exp. / MC
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Conclusions / Perspectives
� AppAppAppApp. au design et . au design et . au design et . au design et éééévalvalvalval. des mat. des mat. des mat. des matéééériaux (MOF/ZIF) riaux (MOF/ZIF) riaux (MOF/ZIF) riaux (MOF/ZIF) � La SLa SLa SLa SA/BA/BA/BA/B est importante maisest importante maisest importante maisest importante mais ∆∆∆∆NNNN est plus importante pour un procest plus importante pour un procest plus importante pour un procest plus importante pour un procééééddddéééé
PSA.PSA.PSA.PSA.� La modLa modLa modLa modéééélisation du temps de recycle est une variable utile lisation du temps de recycle est une variable utile lisation du temps de recycle est une variable utile lisation du temps de recycle est une variable utile
(comparaison plus r(comparaison plus r(comparaison plus r(comparaison plus rééééaliste avec des solides comme les zaliste avec des solides comme les zaliste avec des solides comme les zaliste avec des solides comme les zééééolithes)olithes)olithes)olithes)� Trouver le lien direct entre les aspects gTrouver le lien direct entre les aspects gTrouver le lien direct entre les aspects gTrouver le lien direct entre les aspects gééééomomomoméééétriques (topologie, triques (topologie, triques (topologie, triques (topologie,
diamdiamdiamdiamèèèètre de pore ou confinement, etc.) et chimiques (nature tre de pore ou confinement, etc.) et chimiques (nature tre de pore ou confinement, etc.) et chimiques (nature tre de pore ou confinement, etc.) et chimiques (nature chimique des ligands, polaritchimique des ligands, polaritchimique des ligands, polaritchimique des ligands, polaritéééé, hydrophobicit, hydrophobicit, hydrophobicit, hydrophobicitéééé, etc.) des solides , etc.) des solides , etc.) des solides , etc.) des solides avec les variables de procavec les variables de procavec les variables de procavec les variables de procééééddddéééé (S(S(S(SA/BA/BA/BA/B, , , , ∆∆∆∆NNNN , , , , qqqqstststst°°°°))))
� La prise en compte des considLa prise en compte des considLa prise en compte des considLa prise en compte des considéééérations thermiques a rations thermiques a rations thermiques a rations thermiques a ééééttttéééé trtrtrtrèèèès peu s peu s peu s peu éééévaluvaluvaluvaluéééée par SM (conditions isothermes ou adiabatiques)e par SM (conditions isothermes ou adiabatiques)e par SM (conditions isothermes ou adiabatiques)e par SM (conditions isothermes ou adiabatiques)
� Evaluation de la stabilitEvaluation de la stabilitEvaluation de la stabilitEvaluation de la stabilitéééé àààà llll’’’’eau reste un probleau reste un probleau reste un probleau reste un problèèèème important me important me important me important (difficilement abordable par SM)(difficilement abordable par SM)(difficilement abordable par SM)(difficilement abordable par SM)
� EstEstEstEst----il nil nil nil néééécessaire de prendre en compte les contraintes de cessaire de prendre en compte les contraintes de cessaire de prendre en compte les contraintes de cessaire de prendre en compte les contraintes de procprocprocprocééééddddéééé dans la moddans la moddans la moddans la modéééélisation mollisation mollisation mollisation molééééculaire de lculaire de lculaire de lculaire de l’’’’adsorption ?adsorption ?adsorption ?adsorption ?
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Remerciements
� IRCIRCIRCIRC----Lyon Lyon Lyon Lyon � Sonia Sonia Sonia Sonia AguadoAguadoAguadoAguado; ; ; ; GGGGéééérard Bergeret, Marc Pera Titus, rard Bergeret, Marc Pera Titus, rard Bergeret, Marc Pera Titus, rard Bergeret, Marc Pera Titus, David David David David
FarrussengFarrussengFarrussengFarrusseng� IFPENIFPENIFPENIFPEN
� HediHediHediHedi AmroucheAmroucheAmroucheAmrouche; Javier P; Javier P; Javier P; Javier Péééérezrezrezrez----PelliteroPelliteroPelliteroPellitero; Virginie ; Virginie ; Virginie ; Virginie MoizanMoizanMoizanMoizan; C; C; C; Cééééline line line line ChizalletChizalletChizalletChizallet; G; G; G; Géééérard rard rard rard PringruberPringruberPringruberPringruber; Benoit Creton; Nicolas Bats; Benoit Creton; Nicolas Bats; Benoit Creton; Nicolas Bats; Benoit Creton; Nicolas Bats
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