Propriétés d'adsorption de différents substrats microporeux à la séparation de gaz modélisation, caractérisation et méthodologie de sélection

L'objectif de cette these est de caracteriser et modeliser l'adsorption de gaz (dioxyde de carbone, methane et azote) sur un adsorbant donne et d’extrapoler les resultats obtenus au comportement macroscopique d'un melange gazeux dans un procede d’adsorption industriel afin de mieux comprendre les phenomenes liant la structure des adsorbants a la performance du procede. Puisque le developpement de la methodologie necessite la description des mecanismes d’adsorption, il a ete decide de demarrer l’etude avec la famille d’adsorbants la mieux connue et la plus repandue dans l’industrie du fait de son bas cout, sa nature microporeuse et sa stabilite chimique et thermique : les zeolithes.A partir de la revue bibliographique, cinq zeolithes avec des proprietes structurales (cations contenus dans leur structure, morphologie des pores, taille des pores et ratio Si/Al) differentes ont ete selectionnees sous deux morphologies (poudre et billes) pour l’obtention des informations indispensables a la determination des parametres cles des modeles d’adsorption. Dans un premier temps, les analyses par porosimetrie gaz avec l’argon a 87 K comme molecule sonde ont permis d’acceder aux proprietes structurales des differents adsorbants (volume poreux, distribution en tailles de pore et surface BET). Une methode basee sur des analyses couplees de porosimetrie gaz avec du CO2 a 273 K et avec l’argon a 87 K a ete proposee pour l’evaluation de l’impact de la mise en forme de l’adsorbant sur l’adsorption du CO2. Dans un deuxieme temps, l’adsorption des composes purs a ete mesuree sur un intervalle tres large de pressions (de 10-5 a 80 bar) et de temperatures (de 253 K a 363 K) par combinaison de la manometrie a basse pression et haute resolution et de la gravimetrie a haute pression. Ces mesures couplees a celle de la chaleur differentielle d’adsorption et a celle de l’equilibre d’adsorption des melanges ainsi qu’a des etudes microscopiques disponibles dans la litterature, ont permis d’identifier et d’analyser les differents mecanismes d’adsorption des gaz consideres. Des lors, les modeles macroscopiques d’adsorption les plus largement utilises dans la modelisation et la simulation des procedes de separation de gaz par adsorption comme ceux de Toth, Sips et bi-Langmuir ont ete analyses sur l’ensemble des donnees experimentales et des mecanismes d’adsorption identifies. Ces modeles n’etant pas representatifs des phenomenes physico-chimiques mis en jeu, ils ne permettent pas une representation coherente de plusieurs isothermes et des chaleurs d’adsorption mises en jeu. Ainsi, une nouvelle methodologie de modelisation de l’adsorption des gaz purs et des melanges, basee sur des modeles representatifs des mecanismes d’adsorption a ete proposee. Cette nouvelle methodologie permet de predire l’adsorption de melanges de gaz a partir de deux isothermes d’adsorption mesurees pour les gaz purs dans les limites de la gamme de temperature d’interet.Enfin, la derniere partie de l’etude se focalise sur l’integration des modeles dans un logiciel de simulation des procedes dynamiques d’adsorption et sur leur validation avec des essais de courbes de percee. A cette fin, une nouvelle colonne d’adsorption a ete concue et integree dans un pilote existant. Ces tests dynamiques d’adsorption se focalisent sur la separation CO2/N2 et ont ete realises sur deux echantillons de billes de zeolithes. L’exothermie de l’adsorption du CO2 etant tres significative, le parametre de transfert thermique entre le gaz et la paroi de la colonne a ete identifie comme le parametre limitant de la Zone de Transfert de Masse (MTZ). Ce parametre de transfert thermique optimise a ete confronte a differentes correlations afin de pouvoir le predire. Ainsi, de facon generale, le modele dynamique reproduit de maniere tres satisfaisante les resultats experimentaux.