Rigorous Multicomponent Reactive Separations Modelling: Complete Consideration of Reaction-Diffusion Phenomena Modélisation rigoureuse de la séparation réactive multiconstituant : prise en compte des phénomènes de diffusion-réaction

• Published in: Oil & gas science and technology Vol. 65; no. 5; pp. 735 - 749
• Main Authors: Ahmadi A., Meyer M., Rouzineau D., Prevost M., Alix P., Laloue N.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: EDP Sciences 01.09.2010
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189
• DOI: 10.2516/ogst/2010009

This paper gives the first step of the development of a rigorous multicomponent reactive separation model. Such a model is highly essential to further the optimization of acid gases removal plants (CO2 capture, gas treating, etc.) in terms of size and energy consumption, since chemical solvents are conventionally used. Firstly, two main modelling approaches are presented: the equilibrium-based and the rate-based approaches. Secondly, an extended rate-based model with rigorous modelling methodology for diffusion-reaction phenomena is proposed. The film theory and the generalized Maxwell-Stefan equations are used in order to characterize multicomponent interactions. The complete chain of chemical reactions is taken into account. The reactions can be kinetically controlled or at chemical equilibrium, and they are considered for both liquid film and liquid bulk. Thirdly, the method of numerical resolution is described. Coupling the generalized Maxwell-Stefan equations with chemical equilibrium equations leads to a highly non-linear Differential-Algebraic Equations system known as DAE index 3. The set of equations is discretized with finite-differences as its integration by Gear method is complex. The resulting algebraic system is resolved by the Newton- Raphson method. Finally, the present model and the associated methods of numerical resolution are validated for the example of esterification of methanol. This archetype non-electrolytic system permits an interesting analysis of reaction impact on mass transfer, especially near the phase interface. The numerical resolution of the model by Newton-Raphson method gives good results in terms of calculation time and convergence. The simulations show that the impact of reactions at chemical equilibrium and that of kinetically controlled reactions with high kinetics on mass transfer is relatively similar. Moreover, the Fick’s law is less adapted for multicomponent mixtures where some abnormalities such as counter-diffusion take place. Modélisation rigoureuse de la séparation réactive multiconstituant : prise en compte des phénomènes de diffusion-réaction Cet article concerne la première étape du développement d’un modèle rigoureux pour la séparation réactive multiconstituant. Ce type de modèle est indispensable pour optimiser les procédés de captage des gaz acides (captage de CO2, traitement des gaz, etc.) en termes de taille et de consommation d’énergie, lorsque les solvants chimiques sont classiquement utilisés. Dans un premier temps, les deux grandes approches de modélisation sont présentées : le modèle d’équilibre et le modèle de non-équilibre. Dans un deuxième temps, un modèle de non-équilibre avec une approche rigoureuse des phénomènes de diffusion-réaction est proposé. La théorie de double-film et les équations généralisées de Maxwell-Stefan sont utilisées afin de caractériser les interactions multiconstituants. La chaîne complète des réactions chimiques est prise en compte. Les réactions peuvent être cinétiquement contrôlées ou à l’équilibre chimique, et elles sont considérées à la fois dans le film liquide et dans le bulk liquide. Dans un troisième temps, la méthode de résolution numérique est décrite. Le couplage des équations généralisées de Maxwell-Stefan avec les équations d’équilibre chimique engendre un système d’équations algébro-différentielles fortement non-linéaire connu sous le nom DAE index 3. Les DAE sont discrétisées avec des différences finies, car leur intégration sous leur forme différentielle selon la méthode de Gear est complexe. Le système algébrique résultant est résolu numériquement en utilisant l’approche de Newton-Raphson. Enfin, le modèle et les méthodes associées de résolution numérique sont validés avec l’exemple de l’estérification du méthanol. Ce système non-électrolytique permet une analyse intéressante de l’impact de réaction sur le transfert de masse, surtout à l’interface des phases. La résolution numérique du modèle par la méthode de Newton-Raphson donne des bons résultats en termes de temps de calcul et de convergence. Les résultats de simulation montrent que l’impact des réactions à l’équilibre chimique et celui des réactions cinétiquement contrôlées avec une cinétique élevée sur le transfert de masse est relativement similaire. Enoutre, la loi de Fick est moins adaptée pour les mélanges multiconstituants où certaines anomalies comme la contre-diffusion ont lieu.