Modélisation de l'efficacité de l'utilisation de membranes polymères pour la séparation du CO2 du gaz naturel pour le transport par pipeline

Le gaz naturel entre dans le pipeline à partir de différentes sources avec des compositions différentes. Bien que le méthane constitue la majorité de ce mélange (75 à 90 %), le gaz naturel contient également des concentrations importantes d’éthane, de propane, de butane et d’autres hydrocarbures supérieurs (1 à 3 %) [1]. Certains gisements peuvent contenir des impuretés complexes, notamment du CO2, du H2S et du CO, qui sont dangereuses pour l’environnement et interfèrent avec le traitement du gaz naturel. La demande croissante de gaz par pipeline ces dernières années a suscité un intérêt accru pour le traitement du gaz naturel brut de faible qualité. Pour augmenter la valeur calorifique du gaz, prévenir la corrosion des pipelines et des équipements de traitement et éviter la cristallisation pendant le processus de liquéfaction, il est nécessaire d'éliminer les émissions de CO2 [2]. Selon la source, la quantité de CO2 dans le gaz naturel peut varier de 4 à 50 %. Le gaz naturel doit être prétraité pour répondre aux exigences standard de teneur en CO2 des pipelines de 2 à 5 % avant de pouvoir être transporté [3]. Plus de 5 % du gaz naturel produit est du dioxyde de carbone. Il existe de nombreuses méthodes pour éliminer le CO2, prenant en compte les considérations environnementales, les caractéristiques du gaz, les coûts d’investissement et d’exploitation. Les principales procédures sont divisées en catégories suivantes :Procédés d'absorption (absorption physique et chimique).Procédé d'adsorption sur surface solide.Solution mixte à base de solvants physiques et chimiques.Séparation physique (séparation cryogénique et membranaire).L'application des procédés membranaires dans le traitement du gaz naturel est un succès sur le marché. Les différences dans les taux de diffusion et/ou d'adsorption des composants du mélange dans la matrice polymère ou les pores d'une membrane inorganique permettent de séparer le CO2 à l'aide de membranes polymères ou inorganiques conventionnelles (telles que les tamis moléculaires en zéolite, en silice sol-gel ou en carbone). Le gaz doit se dissoudre du côté haute pression de la membrane, diffuser à travers la paroi de la membrane et s'évaporer du côté basse pression avant de pouvoir pénétrer la surface de la membrane. Ainsi, l’idée derrière la séparation des gaz est que certains gaz sont plus solubles dans les membranes polymères et peuvent les traverser plus facilement que d’autres. En appliquant un gradient de potentiel, tel qu'une différence de pression, de température, de courant électrique ou de concentration, une membrane, qui est une fine couche de matériau semi-perméable, fonctionne comme une barrière sélective et sépare les particules indésirables de la solution d'alimentation en fonction de leur taille ou de leur affinité. Si l’un des composants du mélange traverse la membrane plus rapidement que l’autre, la séparation est alors obtenue. Le principal avantage de la technologie membranaire par rapport aux méthodes traditionnelles de séparation, de purification et de formulation est qu’elle produit des produits stables sans utilisation de produits chimiques, consomme très peu d’énergie et présente un fort potentiel d’impact environnemental. Les avantages supplémentaires comprennent la réduction des coûts d’investissement et d’exploitation des technologies membranaires, le respect de l’environnement, la modularité et la facilité de mise à l’échelle, ainsi qu’un processus bien conçu, compact et simple dans son concept et son fonctionnement. Les membranes sont souvent classées en fonction de leurs matériaux, de leur forme, de leur force motrice et de la taille moyenne de leurs pores. L’un des aspects les plus importants de la différenciation initiale d’une membrane est la taille de ses pores. L’impact environnemental du traitement du gaz naturel est difficile à surestimer. Bien que le gaz naturel soit souvent présenté comme une alternative plus propre aux autres combustibles fossiles, la présence de CO2 et d’autres impuretés peut annuler certains de ses avantages environnementaux. En éliminant efficacement le CO2, la technologie membranaire améliore non seulement la qualité du gaz naturel, mais contribue également à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cela est conforme aux objectifs mondiaux de développement durable visant à atténuer le changement climatique et à promouvoir des sources d’énergie plus propres. De plus, les procédés membranaires nécessitent généralement moins d’énergie que les méthodes traditionnelles telles que l’épuration aux amines ou la séparation cryogénique. Cette réduction de la consommation d’énergie se traduit par des coûts d’exploitation inférieurs et une réduction des émissions de carbone, faisant de la technologie membranaire une option plus durable pour le traitement du gaz naturel. D’un point de vue économique, la mise en œuvre de la technologie membranaire peut conduire à des économies de coûts importantes. Les méthodes traditionnelles d’élimination du CO2 impliquent souvent des coûts d’équipement élevés et des coûts d’exploitation permanents associés à la consommation d’énergie et de produits chimiques. En revanche, les systèmes à membrane ont tendance à être plus modulaires et évolutifs, ce qui les rend plus faciles à intégrer dans les installations existantes sans modifications majeures. Cette flexibilité peut encourager les opérateurs à mettre à niveau leurs capacités technologiques tout en minimisant les perturbations des opérations. En outre, à mesure que la demande en sources d’énergie propres augmente, les pressions réglementaires vont probablement s’accroître, nécessitant des investissements dans des technologies de réduction des émissions. Les entreprises qui adoptent plus rapidement des technologies membranaires avancées peuvent acquérir un avantage concurrentiel en se positionnant comme des leaders environnementaux et en répondant aux nouvelles exigences réglementaires.

L’avenir de l’élimination du CO2 du gaz naturel à l’aide de la technologie membranaire semble prometteur. Les recherches actuelles visent à développer des membranes présentant une sélectivité accrue pour le CO2 par rapport au méthane et aux autres hydrocarbures, ainsi qu’à augmenter leur durabilité et leur résistance à l’encrassement. Les innovations en nanotechnologie et en science des matériaux ouvrent la voie à des membranes de nouvelle génération qui pourraient révolutionner les processus de séparation des gaz. De plus, l’intégration de la technologie membranaire à d’autres processus, tels que la capture et le stockage du carbone ou la conversion des énergies renouvelables, peut créer des synergies qui améliorent encore l’efficacité globale du système. Par exemple, la combinaison de la séparation membranaire avec des procédés basés sur les énergies renouvelables peut fournir une solution durable pour l’élimination du CO2 tout en utilisant simultanément l’excédent d’énergie généré à partir de sources renouvelables.

Nous avons développé un modèle mathématique qui prédit l’efficacité des membranes polymères pour séparer le CO2 du CH4 à haute pression. Le modèle est basé sur la théorie de la diffusion des solutions, qui décrit comment les gaz traversent les membranes. Selon la théorie de la diffusion en solution, il existe 2 processus principaux associés au mouvement du gaz à travers une membrane polymère : Solution : La matrice polymère est l'endroit où les molécules de gaz se dissolvent initialement. La solubilité du gaz dans le polymère et la manière dont les molécules de gaz interagissent avec les chaînes polymères influencent cette étape. Diffusion : Après dissolution, les molécules de gaz se déplacent de la matrice polymère à forte concentration vers la matrice polymère à faible concentration. Les règles de diffusion de Fick, qui expliquent comment les particules se déplacent des zones de concentration plus élevée vers les zones de concentration plus faible, régissent ce processus. La théorie de la diffusion en solution fournit un cadre complet pour comprendre comment les gaz interagissent avec les membranes polymères pendant la séparation. Les chercheurs et les ingénieurs peuvent créer des systèmes plus efficaces pour diverses applications industrielles en optimisant les matériaux des membranes et leurs conditions de fonctionnement à l’aide de cette théorie, ce qui améliorera à terme l’efficacité des technologies de séparation des gaz. Les propriétés des polymères jouent un rôle essentiel dans la détermination de leur solubilité et de leur diffusivité, qui sont nécessaires pour des applications telles que la séparation des gaz à l'aide de membranes polymères. La structure chimique, y compris les types de monomères et de groupes fonctionnels, influence considérablement ces propriétés. Par exemple, les polymères avec des groupes fonctionnels polaires ont tendance à avoir une solubilité plus élevée dans les gaz polaires en raison d’interactions améliorées. De plus, les propriétés physiques des polymères, telles que le volume libre, la densité et la cristallinité, affectent directement la facilité avec laquelle les gaz peuvent diffuser à travers eux. Les polymères à volume libre élevé ont tendance à fournir des taux de diffusion plus élevés, facilitant ainsi un transport efficace des gaz. De plus, la température de transition vitreuse (Tg) affecte la mobilité de la chaîne ; Lorsque Tst est dépassé, les polymères deviennent plus flexibles, ce qui augmente encore la perméabilité aux gaz.

Parmi les équations les plus importantes se trouve l’équation d’écoulement (1) :

Ji = Pi ⋅ (Matériau Pifeed – Pipermeate), (1)

où Ji est le flux de perméabilité du composant, mol/m2 s ; Pi – coefficient de perméabilité du composant, barrer ; Matériau d'alimentation – pression partielle du composant dans le matériau d'alimentation, en bars ; Le pipérméat est la pression partielle du composant i dans le perméat, en bar. Le modèle utilisait un mélange de gaz binaire (CO2 et CH4). Nous avons introduit des paramètres qui ont rendu la perméabilité indépendante de la pression et de la température dans la plage de fonctionnement et ont garanti qu'aucun mélange ne se produisait de chaque côté de la membrane. Les paramètres suivants doivent être pris en compte : Sélectivité membranaire : S = . Conditions d'alimentation : pression, température et concentration en CO2. Propriétés de la membrane : épaisseur, surface et caractéristiques du matériau.

En utilisant la loi de Fick pour la diffusion, le transfert de masse global peut être décrit comme (2) :

 J = k ⋅ (PCO2 – PCH4), (2)

où k est une constante qui combine la perméabilité et la surface de la membrane. Les paramètres utilisés dans le modèle sont répertoriés dans le tableau 1. Le modèle MATLAB inclut un code supplémentaire pour l'analyse de sensibilité qui fait varier la pression d'alimentation et calcule le flux de CO2 correspondant, il est donc possible de voir comment le flux change à haute pression.

Pour tester la précision, nous avons comparé les prédictions du modèle avec les données expérimentales publiées. Cela a nécessité l’utilisation de données précédemment publiées sur la perméabilité au CO2 et l’efficacité de séparation dans des circonstances comparables. Notre modèle a été comparé à une étude publiée précédemment sur le gaz marin menée en 2008. L'étude a examiné les performances des membranes composites à couche mince à base de mélange Pebax®/PEG pour la séparation du CO2 des mélanges de gaz contenant H2, N2 et CH4. Les membranes ont été testées dans diverses conditions, la dépendance du débit de gaz et de la sélectivité sur la température et la pression a été étudiée. Avant de tester les membranes, l’un des gaz répertoriés (CO2, H2, N2 et CH4) a été utilisé dans le mélange gazeux. Les tests ont été réalisés à une température de 293 °K et à haute pression jusqu'à 20 bars. Ces conditions ont été choisies pour être comparées aux mesures de mélanges de gaz. Les résultats sont affichés sur la console avec les débits et la composition du perméat indiqués. Cette composition est souvent formée à la suite de procédures de purification ou de séparation de gaz où le méthane est un sous-produit et le CO2 est la principale cible de capture. Des quantités élevées de CO₂ indiquent des méthodes de séparation efficaces, nécessaires à des processus tels que la capture et le stockage du carbone et la valorisation du biogaz. Les résultats de la simulation démontrent la possibilité d’obtenir du CO2 de haute pureté pour des applications industrielles (Fig. 1). Lorsque la teneur en CO₂ dans le perméat est de 90,91 % et celle en CH₄ (méthane) de 9,09 %, cela indique que le mélange de gaz analysé ou traité contient une concentration élevée de dioxyde de carbone par rapport au méthane.

Un graphique du débit de CO2 en fonction de la pression d'alimentation est également affiché (Fig. 1).

La Fig. 2 montre le débit de CO2 en fonction de la pression d'alimentation. Pour tous les échantillons (membranes Pebax® et membranes à mélange Pebax®/PEG), le flux de CO2 a augmenté avec l'augmentation de la pression d'alimentation (fugacité) de 5 à 20 bars. Dans les polymères de type caoutchouc, le facteur décisif est le coefficient de solubilité, qui dépend fortement de la capacité à condenser le gaz, en particulier en présence d'une forte interaction entre la substance pénétrante et le polymère [4].

Comme on peut le voir sur la Fig. 2, la pente de la ligne se déplace vers des valeurs plus élevées avec l'augmentation de la teneur en PEG. Le PEG est un polyéthylène glycol (PEG), un polymère à base d'oxyde d'éthylène, qui est un bon formateur de membrane en raison de ses propriétés hydrophiles et également parce qu'il est chimiquement stable et peut résister à des températures et des pressions très élevées. Par conséquent, les échantillons avec une teneur en PEG plus élevée présentent une dépendance à la pression plus forte en raison de la plastification. Les niveaux de sorption de CO2 dépendent fortement de l'emballage des segments, et la plastification est liée à la mobilité des segments. Ainsi, le flux de CO2 à une pression de fonctionnement plus élevée et à une teneur élevée en PEG augmente toujours. De plus, dans le modèle obtenu, le flux de CO2 est plus élevé à pression plus élevée. Dans notre modèle comme dans nos données expérimentales, nous avons observé une tendance constante : le flux de CO2 augmentait avec l’augmentation de la pression. Cette corrélation suggère que des conditions de pression plus élevées favorisent un plus grand transport de CO2. Les résultats obtenus sont cohérents avec les théories établies de la perméabilité aux gaz, ce qui confirme la validité de notre modèle. L’augmentation du débit de CO₂ avec l’augmentation de la pression indique que les variations de pression affectent la vitesse à laquelle le système libère ou absorbe du dioxyde de carbone. Les gradients de pression affectent le flux de gaz, y compris le CO₂. La diffusion du CO₂ des zones de concentration plus élevée vers les zones de concentration plus faible peut être améliorée en augmentant la pression, ce qui entraîne un flux accru. L’efficacité de la séparation du CO2 du méthane ou d’autres gaz peut être augmentée en augmentant sélectivement la pression. Les opérateurs peuvent maximiser le taux d’élimination du CO2 en ajustant la pression à l’intérieur des membranes ou des systèmes d’absorption [5]. De plus, ce comportement souligne l’importance de la pression comme paramètre critique pour optimiser les processus d’élimination du CO2. Dans l’ensemble, les résultats confirment l’efficacité de notre approche pour prendre en compte la dynamique du flux de CO2 sous l’effet des changements de pression. Cette expérience confirme l’exactitude du modèle. Les résultats soulignent l’importance de développer des méthodes sophistiquées pour estimer les émissions de CO2 et améliorer la technologie de séparation. Les résultats du modèle de simulation correspondent aux conditions expérimentales et réelles.

Cela souligne également la nécessité de disposer de données de haute qualité pour estimer avec précision les flux régionaux et mondiaux de CO2. Ces résultats pourraient contribuer à résoudre le problème actuel des émissions de gaz à effet de serre et à améliorer les tactiques de surveillance et de gestion.

Dans notre étude, nous avons développé un modèle mathématique pour prédire les performances des membranes polymères pour séparer le dioxyde de carbone (CO2) du méthane (CH4) dans des conditions de haute pression. Le modèle a été validé en comparant ses prédictions avec des données expérimentales publiées, avec une attention particulière aux performances des membranes composites à couches minces telles que les mélanges Pebax®/PEG dans la séparation du CO2 des mélanges gazeux contenant de l'hydrogène (H2), de l'azote (N2) et du CH4. Les données d’une étude de 2008 qui a examiné les performances de ces membranes dans des conditions contrôlées ont été analysées dans le cadre du processus de validation. Les expériences ont été réalisées à une température de 293 °K et à des pressions allant jusqu'à 20 bars, qui sont des scénarios de fonctionnement typiques dans les processus de séparation des gaz. Notre modèle a prédit avec succès les débits et les coefficients de sélectivité observés dans ces expériences, démontrant ainsi sa robustesse et sa précision.

L’un des résultats importants de notre modélisation est la forte corrélation entre la pression d’alimentation et le flux de CO2. Comme le montrent nos résultats, l’augmentation de la pression d’alimentation de 5 à 20 bars a entraîné une augmentation constante de la consommation de CO2. Cette tendance est cohérente avec les théories établies concernant la perméabilité au gaz, qui confirment qu’une pression accrue améliore la force motrice de la diffusion du gaz à travers la membrane. De plus, notre modèle a montré que la concentration de CO2 dans le perméat pouvait atteindre environ 90,91%, et celle de méthane était de 9,09%. Cela indique la grande efficacité du processus de séparation. Ces résultats sont particulièrement pertinents pour des applications telles que la capture du carbone et le traitement du biogaz, où du CO2 de haute pureté est requis. Le modèle a également démontré l’influence de la composition du polymère sur l’efficacité de la séparation. En particulier, nous avons constaté que les membranes avec une teneur plus élevée en polyéthylène glycol (PEG) ont une perméabilité accrue au CO2 en raison d'un effet de plastification accru avec une pression accrue. Cette découverte suggère que l’optimisation des matériaux membranaires peut augmenter considérablement l’efficacité de la séparation en adaptant leurs propriétés chimiques et physiques. Sur les dessins inclus dans notre analyse, la relation entre le débit de CO2 et la pression d'alimentation illustrant comment les changements de pression affectent la dynamique du transfert de gaz. Nos résultats ont montré qu’avec une augmentation de la pression, la vitesse de transfert du CO2 à travers le système membranaire augmentait. Cette observation souligne l’importance de la pression comme paramètre critique pour l’optimisation des processus de séparation des gaz. De plus, nous avons noté que la pente des flux de CO2 sur la pression change lorsque la concentration de PEG change, ce qui indique un effet plus prononcé de la pression sur les hauts-hectares de PEG. Ce comportement peut s'expliquer par des changements dans la mobilité segmentaire dans la matrice polymère, qui affectent directement la solubilité du gaz et le taux de diffusion. Les résultats de nos études vont au-delà du test théorique. Ils donnent des informations pratiques à usage industriel visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre. En comprenant comment divers paramètres de travail affectent l’efficacité de la séparation du CO2, les opérateurs peuvent optimiser leurs processus pour une extraction maximale du CO2 tout en minimisant les pertes de méthane. De plus, nos études soulignent la nécessité d’une amélioration constante des technologies membranaires. La capacité de prédire comment les changements dans la composition des matières premières ou les conditions de travail affectent l’efficacité de la séparation peut devenir la base des développements futurs des matériaux et des configurations des membranes. En allant plus loin, nous constatons que plusieurs domaines de recherche ultérieure découlent de notre étude. L’étude de compositions polymères alternatives ou de matériaux hybrides peut conduire à une membrane avec une sélectivité et une perméabilité encore plus élevées pour le CO2 que pour le CH4. De plus, l’étude de méthodes de modélisation avancées ou d’approches d’apprentissage automatique peut améliorer notre compréhension des phénomènes complexes de transfert de gaz dans les membranes polymères. L'intégration de systèmes de surveillance en temps réel avec notre modèle de prévision peut faciliter l'ajustement dynamique des paramètres de travail en fonction des fluctuations de la composition des matières premières ou des changements de pression, ce qui optimise encore plus les processus de séparation.

Ainsi, notre étude fournit une base mathématique fiable pour prédire l’efficacité de la séparation CO2/CH4 à l’aide de membranes polymères dans des conditions de haute pression. Un test réussi basé sur des données expérimentales confirme la fiabilité du modèle et souligne son application potentielle dans la résolution des problèmes environnementaux liés aux émissions de gaz à effet de serre. En approfondissant notre compréhension de la dynamique de la séparation des gaz, nous nous efforçons d’apporter une contribution significative aux efforts visant à développer des technologies durables pour la capture et l’utilisation du carbone.