Thèse en ligne : Etude cinétique expérimentale et modélisation de la réaction de carbonatation de l'oxyde de calcium
Résumé : Les émissions anthropiques de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre,
sont considérées comme les principales causes du réchauffement
climatique. Le captage du dioxyde de carbone par l'oxyde de calcium, qui
s'avère être une masse de captage appropriée, au cours de plusieurs
cycles de carbonatation/décarbonatation est une solution à la diminution
des émissions industrielles. Néanmoins, la capacité de captage du
dioxyde de carbone par l'oxyde de calcium diminue au cours des cycles,
soulevant ainsi des problèmes économiques majeurs. Actuellement, cette
perte d'efficacité de captage est largement étudiée contrairement à la
réaction même de carbonatation de CaO d'un point de vue fondamental.Dans
l'optique de mieux comprendre la réaction de carbonatation de CaO, une
étude cinétique a été menée par le biais d'expériences de
thermogravimétrie sur poudre. L'approche cinétique a été basée sur des
tests de cinétiques hétérogènes fondés sur les hypothèses de l'état
pseudo-stationnaire et de l'étape limitante. Les courbes cinétiques
expérimentales obtenues en conditions isothermes (450-650°C) et isobares
(2-30 kPa) ont montré un temps de latence lié au processus de
germination de la nouvelle phase, ainsi qu'un fort ralentissement de la
réaction à partir d'un certain degré d'avancement. Ce temps de latence
et le degré d'avancement correspondant au frein cinétique dépendent de
la température et de la pression partielle de CO2. Afin d'en expliquer
l'origine, des caractérisations texturales et morphologiques ont été
effectuées à différents degrés d'avancement. Les modifications observées
à l'échelle des agrégats ont suggéré une limitation de la vitesse de
réaction par des phénomènes de transport de matière, susceptibles de
bloquer l'accès du gaz au coeur des agrégats. Les décrochements en
température réalisées en thermogravimétrie ont mis en évidence un
comportement cinétique complexe. Trois domaines ont pu être distingués
au cours de la réaction, quelles que soient la température et la
pression partielle de CO2. L'interprétation de ces résultats a souligné
le rôle de la porosité et de son évolution sur la cinétique, ainsi qu'un
effet anti-Arrhenius dans le deuxième domaine.La modélisation cinétique
a dû faire intervenir à la fois un modèle proche de la réalité physique
à l'échelle des grains denses, mais également les processus de
transport de matière et de chaleurs au sein de l'agrégat, afin de rendre
compte des courbes expérimentales et de quantifier l'impact des
différents paramètres expérimentaux sur la vitesse de réaction. Ce
couplage échelle de la population des grains-échelle de l'agrégat a été
réalisé à l'aide d'un logiciel de cinétique hétérogène, CIN4, développé
au département PRESSIC, en collaboration avec la société ASTEK. Les
simulations obtenues ont permis de décrire la réaction jusqu'au freinage
cinétique.
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