Epurer du biogaz avec OpenFOAM

Contexte technico-économique

La méthanisation est une des voies de valorisation des déchets organiques. Son principe est assez simple, il s’agit de faire digérer ces déchets par un consortium microbien en absence d’oxygène (digestion anaérobie). Dans de telles conditions, ces micro-organismes produisent ce que l’on appelle du biogaz : un mélange de CO2 et de CH4, principalement, mais dans des proportions variables et bien loin des besoins des applications industrielles. Pour utiliser ce biogaz, il faut donc le purifier, pour atteindre une teneur en méthane d’au moins 97 %. Pour cela, différentes technologies existent : PSA, lavage à l’eau, … Cependant, de telles installations coûtent cher et ne sont donc rentables que pour de grosses installations de méthanisation.

De par son modèle agricole, la France possède de nombreuses petites exploitations (50 % des fermes comportent moins de 200 UGB). Ces petites exploitations représentent  un gisement important pour la production de biogaz, surtout lorsqu’elles sont situées à proximité du réseau de gaz. Mais malheureusement, leur petite taille les empêche de mettre en place une unité de méthanisation rentable dans le contexte technique actuel.

Dans ce contexte, la Chaire de Biotechnologie de CentraleSupélec a étudié la possibilité d’utiliser une technologie innovante pour séparer le CO2 du CH4 et ainsi produire un biométhane de qualité réseau. Le procédé proposé est basé sur une technologie compacte, modulaire et surtout accessible financièrement : le contacteur à membrane. Grâce à son lit de fibres microporeuses hydrophobes, le contacteur à membrane permet de mettre en contact le biogaz avec de l’eau (Fig. 1). Le CO2 étant plus soluble que le CH4 dans l’eau, il migre de la phase gazeuse vers la phase, appauvrissant ainsi la phase gazeuse en CO2. Sur le plan du principe, cela est facile. Cependant, la réalisation expérimentale soulève de nombreuses questions : volume utile du contacteur, envahissement des pores par de l’eau, conditions optimales de fonctionnement …

Fig. 1 : design d’un contacteur à membrane. Au centre : tubes distributeur et collecteur. A l’extérieur : milieu poreux fait de fibres hydrophobes microporeuses

L’étude

Dans cet article, les auteurs ont mené une investigation à la fois expérimentale et numérique du comportement du contacteur en mettant l’accent sur l’effet de la différence de pression sur l’invasion des pores des fibres de la membrane par l’eau. En effet, lors d’opérations de longue durée, de l’eau se dépose dans les pores des fibres du contacteur. La principale conséquence est un moins bon échange gaz / liquide et donc un moins bon rendement du contacteur. A l’heure actuelle, l’origine du phénomène n’est pas claire, plusieurs pistes sont évoquées dans la littérature, dont celle de la différence de pression liquide / gaz.

Pour cela, un nombre conséquent d’essais expérimentaux a été accumulé (Fig. 2). L’impact de nombreux paramètres a été étudié : débit liquide, débit gaz, rapport des débits, différence de pression gaz / liquide, taux de chargement en CO2. En plus d’aider à mieux comprendre l’importance de chaque paramètre sur la qualité de la séparation du CO2 et du CH4, ces essais ont servi de base à un travail de modélisation permettant de mieux comprendre le comportement du contacteur membranaire dans ces conditions opératoires.

Fig. 2 : architecture du dispositif expérimental

L’apport d’OpenFOAM®

OpenFOAM® a été utilisé en deux temps. Tout d’abord, il a permis d’explorer l’hydrodynamique interne du contacteur. Les fibres du contacteur ont été décrites comme un milieu poreux anisotrope (loi de Darcy) alimenté par un tube distributeur et un collecteur (Navier Stokes). En tirant avantage du solver porousSimpleFoam, il a été possible de se rendre compte assez rapidement que seule la partie centrale du contacteur est réellement efficace. Cette conclusion permettra au fournisseur de membranes d’améliorer son produit.

Dans un second temps, un solveur a été développé pour prendre en compte les transferts de matière au sein du contacteur. Décrire correctement les échanges de matière entre les fibres et l’eau est la clef d’une prédiction de qualité. Malheureusement, cela n’a jamais été fait à cette échelle. Une corrélation, liant les nombres de Sherwood, Reynolds et Schmidt, permettant de décrire le transfert de matière a donc été proposée. Elle s’appuie sur la base de données d’essais expérimentaux accumulés durant cette étude, mais fait aussi appel à des essais réalisés par d’autres auteurs. Les paramètres de la corrélation ont été obtenus par Optimisation par Essaim de Particules (PSO). Pour cela, OpenFOAM® a été scripté à l’aide d’une routine Python ce qui a permis une utilisation facilité du solveur lors des très nombreuses invocations de la routine d’optimisation.

A l’aide de cet outil, il a été possible de conclure que la différence de pression entre le liquide et le gaz n’a que peu d’influence sur l’invasion des pores des fibres de la membrane par l’eau.

Pour résumer, OpenFOAM® a permis une meilleure compréhension de l’hydrodynamique interne, mais aussi des couplages mis en jeu lors de la purification du biogaz dans un contacteur à membranes. De plus, la corrélation proposée décrivant un phénomène de transfert local, elle n’est pas tributaire de la géométrie globale du contacteur. Il est donc possible d’utiliser le solveur développé dans ce travail pour investiguer le comportement de modules potentiellement plus grands et donc de proposer un scale-up du procédé de laboratoire vers une installation à destination d’une exploitation agricole.

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Rédigé par Victor Pozzobon, le 12 juin 2017.