Hydrodynamique et procédé de formation d'hydrates de CO2

La capture du dioxyde de carbone (CO2) par l'entremise d'hydrate de gaz est une technologie envisageable pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre à l'atmosphère. Les hydrates de CO2 se forment à des conditions de faible température et sous forte pression. Des recherches expérimentales ont été menées sur l'influence de l'hydrodynamique sur deux différents stades de formation des hydrates, soit le temps d'induction et la phase de croissance des hydrates. Une première vague d'expérimentation a été effectuée sur un rhéomètre, et la deuxième vague sur une cuve agitée de plus grand volume. Les objectifs de la démarche expérimentale sont de caractériser l'effet de l'hydrodynamique sur le temps d'induction et d'en optimiser les paramètres, et aussi de déterminer l'effet de l'hydrodynamique sur le taux de formation des hydrates. Ce dernier objectif est analysé seulement pour la cuve agitée. La caractérisation de l'hydrodynamique sur le rhéomètre se fait par l'entremise du taux de cisaillement. Il a été possible de constater, avec une solution concentrée à 3% mol en THF, que le temps d'induction est minimisé à plus fort cisaillement. L'analyse de variance confirme que ces résultats sont significatifs. Le même constat est observé avec une solution concentrée à 1% mol en THF, mais l'analyse statistique n'est pas significative. Au cours de ces derniers essais le taux de cisaillement demeure constant pour toute la durée de l'expérimentation. Par ailleurs, la variation du cisaillement en cours d'expérimentation est l'effet hydrodynamique le plus marqué sur le temps d'induction. Le fait d'imposer un fort taux de cisaillement (900s-1) dès le commencement de l'essai pour un certain temps, et ensuite de changer abruptement vers un plus faible taux de cisaillement (100s-1) tend à favoriser la cinétique de formation des hydrates. Une diminution du temps d'induction est observée lorsque le taux de 900s-1 est appliqué pour une période de 10 min et plus. La diminution du temps d'induction moyen observé est de 89% comparativement au plus grand temps d'induction moyen obtenu pour un fort cisaillement d'une durée de 1 min Les particules d'hydrate sont formées soit pendant le fort cisaillement ou lors d'un changement du taux de cisaillement. Ce phénomène démontre une diminution de la variabilité des temps d'induction du procédé de formation des hydrates. L'aspect de l'hydrodynamique sur la cuve agitée est biaisé par des fuites de gaz dû à sa mauvaise étanchéité. Une analyse a malgré tout été effectuée pour en dégager les tendances principales. La conclusion est identique pour les deux objectifs à caractériser, c'est-à-dire que les résultats ne démontrent aucune différence significative. Nulle tendance n'est ressortie de l'analyse des effets de l'hydrodynamique sur la formation des hydrates sur la cuve agitée.

Abstract

Gas hydrate technology could be utilized to capture and separate greenhouse gases that are harmful for environment from flue gases. Thermodynamically, CO2 hydrate forms at moderate temperature and high pressure. This research investigated the hydrodynamic impact on the induction time and growth steps of crystallization. Experiments were performed on two different scale vessels. The first one is the rheometer, with a smaller volume, and a large agitated vessel. In both of these equipments the hydrodynamic effects on induction time were investigated. Otherwise, the impact of hydrodynamic on the formation rate was only analyzed on the agitated vessel. The controlled hydrodynamics parameter in the rheometer is the shear rate, and for the stirred-vessel it is the rotational velocity. First experiments were executed at multiple shear rates, which remained constant during the experiment. The results obtained with the solution concentrated at 3% mol in THF, revealed that the induction time trend to be minimized with greater shear rate. Analysis of variance confirms that the result shows significant differences, and that the trend is significant. The same tendency is brought out from the results that come from the 1% mol solution in THF, but further analysis didn't evoke a significant difference between the results. The second set of experiments was run with a shear rate variation during the experiment. Hydrodynamic effects on the induction time are noticed for the experiment where high shear rate (900s-1) is used from the start for a definite period, and abruptly changes to a slower shear rate (100s-1). The effect on the induction time is observed for the imposition of high shear rate in a period ranging between 10 min and 30 min. Moreover, there is an average -89% reduction on the mean induction time for this range, compared to the longest mean induction time documented for a high shear rate time of 1 min. Process variability is also optimized with the use of the high shear rate phenomenon with a substantial decrease for the standard error. Gas leaks from the stirred-vessel distorted the results attended to measure the effect of hydrodynamics on both objectives, induction time and formation rate, respectively. An analysis on the two objectives was made to bring out any possible trend from the scale-up. Conclusions from both objectives are alike; no trend emerged from the results.