Hollow Fiber Membrane Contactors for Post-Combustion CO₂ Capture: A Scale-Up Study from Laboratory to Pilot Plant

Captage postcombustion du CO₂ par des contacteurs membranaires de fibres creuses : de l’échelle laboratoire à l’échelle pilote industriel

¹ Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, LRGP (UPR CNRS 3349), 1 rue Grandville, 54000 Nancy – France
² TNO, Leeghwaterstraat 46, 2628 CA Delft – The Netherlands
³ Polymem, impasse du Palayré, 31100 Toulouse – France
⁴ IFP Energies nouvelles-Lyon, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize – France
e-mail: elodie.chabanon@ensic.inpl-nancy.fr – erin.kimball@tno.nl – eric.favre@ensic.inpl-nancy.fr – o.lorain@polymem.fr – earl.goetheer@tno.nl – daniel.ferre@ifpen.fr – adrien.gomez@ifpen.fr – paul.broutin@ifpen.fr

^* Corresponding author

Abstract

Membrane contactors have been proposed for decades as a way to achieve intensified mass transfer processes. Post-combustion CO₂ capture by absorption into a chemical solvent is one of the currently most intensively investigated topics in this area. Numerous studies have already been reported, unfortunately almost systematically on small, laboratory scale, modules. Given the level of flue gas flow rates which have to be treated for carbon capture applications, a consistent scale-up methodology is obviously needed for a rigorous engineering design. In this study, the possibilities and limitations of scale-up strategies for membrane contactors have been explored and will be discussed. Experiments (CO₂ absorption from a gas mixture in a 30%wt MEA aqueous solution) have been performed both on mini-modules and at pilot scale (10 m² membrane contactor module) based on PTFE hollow fibers. The results have been modelled utilizing a resistance in series approach. The only adjustable parameter is in fitting the simulations to experimental data is the membrane mass transfer coefficient (k_m), which logically plays a key role. The difficulties and uncertainties associated with scaleup computations from lab scale to pilot scale modules, with a particular emphasis on the k_m value, are presented and critically discussed.

Résumé

Depuis des décennies, les contacteurs membranaires sont proposés pour intensifier les procédés de transfert de matière. Le captage postcombustion du CO₂ par absorption dans un solvant chimique est actuellement l’un des sujets le plus intensivement examiné. Un grand nombre d’études ont déjà été reportées dans la littérature, malheureusement, elles ne concernent pratiquement que des expériences menées à l’échelle laboratoire sur de petits modules. Étant donné les débits de fumées qui doivent être traités dans une application industrielle du captage du CO₂, une étude consistante à plus grande échelle est nécessaire à l’obtention d’un design rigoureux du procédé. Dans cette étude, les possibilités et les limites de l’échelle laboratoire et de l’échelle pilote industrielle ont été évaluées et seront discutées. Les expériences (absorption du CO₂ d’un mélange gazeux par une solution aqueuse de MEA à 30%mass.) ont été menées à la fois sur un mini-module à l’échelle laboratoire et sur un module de taille industrielle (10 m²), tous deux constitués de fibres PTFE. L’approche des résistances en série a ensuite été utilisée pour simuler les résultats. Un seul paramètre ajustable est utilisé : le coefficient de transfert de matière dans la membrane (k_m) qui joue logiquement un rôle clé. Les difficultés et les incertitudes des calculs liées au changement d’échelle, plus particulièrement sur la valeur de k_m, sont présentées et discutées.