Separation de gaz par gravite

[Karboneck]

Hello,
Je recherche des formules pour definir le temps necessaire a la separation de gaz par decantation (gravite) a temperature constante.

Imaginons que l'on comprime un tube vertical de diametre interieur d'environ Ø400 mm sur une longueur d'environ 4 m avec 10 bars de pression d'un melange gazeux issue d'un digesteur de methane (biogaz) non filtre.
- Le tube est ferme des deux cotes et est parfaitement etanche
- On considere le volume disponible est de 0.5 m3 disponible.
- A 10 bars on aura 5 m3 de gaz.
- On postule que les variations de temperatures dues a compression sont negligeables
- On considere que le tube est isotherme a 15 degres C.

Conscient que les pourcentage reels de concentration des differentes molecules du biogaz peuvent varier selon les sources.
--> pour simplifier les calculs, on va arbitrairement utiliser les concentrations ci dessous
- CH4 (57.5%) = 2.875 m3
- CO2 (37.5%) = 1.875 m3
- H2O(4.85%) = 0.2425 m3
- NH3 (0.01%) = 0.0005 m3
- H2S (0.04%) = 0.002 m3
- N2 (0.08%) = 0.004 m3
- O2 (0.02%) = 0.001 m3

La masse molaire de ces molecules va donner la separation de haut en bas comme ce qui suit :
- CH4 methane
- NH3 ammoniac
- N2 Diazote
- O2 dioxygene
- H2S sulfure d'hydrogene
- CO2 dioxyde de carbone
- H2O eau

C'est evident que l'eau sera la premiere (et assez rapidement) a se retrouver en bas du tube vu les differences de masse molaire et volumique par rapport aux autres molecules.

--> Combien de temps il faut pour que chaque gaz puisse etre parfaitement separe
--> Quelles sont les formules a utiliser pour determiner ce temps. (avec les unites svp )


PS: Clavier Qwerty, desole pour les accents.

A votre dispo pour tout complement.
-----

[Resartus]

bonjour,
Malheureusement, ce n'est pas aussi simple. La différence de gravité ne va representer qu'un pouillème de l'énergie d'agitation thermique à température ordinaire, et les gaz seront pratiquement répartis uniformément dans tout le réservoir*
Pour faire mieux, il faudrait utiliser une centrifugeuse (comme celles qu'on utilise pour séparer l'hexafluorure d'uranium 235 du 238) pas à la portée d'un civil donc...

Le moyen le plus simple pour séparer des gaz est d'utiliser des moyens chimiques : On trouve facilement des produits absorbant spécifiquement le gaz carbonique ou l'oxygène, et on peut dissoudre H2S et NH3 dans l'eau Mais ensuite séparer l'azote du méthane sera nettement plus diifficile

L'autre méthode est la liquéfaction fractionnée. Mais rentable seulement en très grandes quantités (voir Air liquide)

En réalité, dans les digesteurs, on produit suffisamment de méthane pour chasser progressivement tous les autres gaz

*A moins qu'il ne fasse plusieurs kilomètres de haut. Par exemple la concentration en oxygène de l'atmosphère %azote diminue de 12% par kilomètre

[XK150]

Salut ,

Ou faire de la diffusion gazeuse naturelle au travers de membrane ??? comme le fût l ' UF6 ....mais comprimée !

Pour moi , cette manip est impossible dans des conditions citées .

[mach3]

La masse molaire de ces molecules va donner la separation de haut en bas comme ce qui suit :
- CH4 methane
- NH3 ammoniac
- N2 Diazote
- O2 dioxygene
- H2S sulfure d'hydrogene
- CO2 dioxyde de carbone
- H2O eau

l'eau pèse 18g/mol, c'est beaucoup moins que les 44g/mol du dioxyde de carbone... Si jamais elle se retrouvait en bas, ce serait parce qu'elle se serait liquéfiée.

m@ch3

[A voir en vidéo sur Futura]

[XK150]

De toute façon , elle n'est pas en vapeur à 10 bars - 15 °C ...

[moco]

En 1905, Berthelot a fait l'expérience suivante : Il a rempli de gaz hydrogène un ballon à long col, et d'air un autre ballon, de dimension identique. Il les a mis en contact, en plaçant le ballon d'hydrogène au-dessus de celui d'air. Au bout de quelques heures, il a mesuré la densité des gaz dans les deux ballons. Il a trouvé que les deux gaz avaient la même densité, qui était à peu près la moitié de celle de l'air. Ce qui prouve que les gaz ne se séparent pas par gravité.

[Karboneck]

@Resartus Merci pour votre reponse tres complete.

Je ne pense pas que la separation de l'azote et du methane soit tres preoccupante vu les proportions. non ?
La purete du methane doit atteindre entre 95 et 97% mini. Si j'ai 0.01% d'azote ca devrait pas poser de soucis ? Ou j'oublie un parametre ?

Vu les quantite que j'ai en tete, la liquefaction fractionne risque de couter plus d'energie qu'elle va en rapporter.
C'est top comme solution de separation. D'ailleurs je me demande bien a quelle pression je dois monter pour que tous ces gaz se liquefient.

Sinon je me rabat sur une membrane pour separer le CO2 et le CH4. Et les autres avec des filtres chimiques (argile et charbon actif, etc..) et l'eau avec un bon vieux condenseur je suppose

[Karboneck]

@XK150 Merci pour votre reponse.
Oui membrane du coup...

[Karboneck]

@ Moco,

Merci pour votre reponse.
Je n'ai pas tout compris de comment l'experience fonctionne. Vous avez des textes sur cette experience ?

[Karboneck]

@ Mach3
Merci pour ce retour.
Oui en effet je pensais a la Masse volumique plus qu'a la masse molaire ici et avec l'eau sous forme liquide

[XK150]

Bien sûr , H2 - N2 , H2 - O2 , H2 - air , sont plus faciles à cause de la grosse différence de densités .
https://www.researchgate.net/post/Is...ons_are_needed

[Yvan_Delaserge]

En 1905, Berthelot a fait l'expérience suivante : Il a rempli de gaz hydrogène un ballon à long col, et d'air un autre ballon, de dimension identique. Il les a mis en contact, en plaçant le ballon d'hydrogène au-dessus de celui d'air. Au bout de quelques heures, il a mesuré la densité des gaz dans les deux ballons. Il a trouvé que les deux gaz avaient la même densité, qui était à peu près la moitié de celle de l'air. Ce qui prouve que les gaz ne se séparent pas par gravité.

Voila qui est tres interessant dans un autre contexte.
On entend parfois parler (vu les problemes actuels d'approvisonnement) de l'utilisation domestique de l'hydrogene en lieu et place du gaz naturel ou melange a ce dernier.
Je m'interroge au sujet de la securite d'un tel procede, car en cas de fuite de gaz, une explosion est possible pour une vaste gamme de concentrations d'hydrogene dans l'air. Le danger est beaucoup plus grave qu'avec du gaz naturel (methane).
Jusqu'a present, j'avais tendance a penser qu'en cas de fuite de gaz accidentelle dans une cuisine, l'hydrogene se concentrerait au voisinage du plafond, sans trop se melanger a l'air.

Visiblement, je me trompais completement...

En conclusion, melanger de l'hydrogene au gaz naturel pour une utilisation domestique semble etre une tres mauvaise idee, non?

[titijoy3]

Voila qui est tres interessant dans un autre contexte.
On entend parfois parler (vu les problemes actuels d'approvisonnement) de l'utilisation domestique de l'hydrogene en lieu et place du gaz naturel ou melange a ce dernier.
Je m'interroge au sujet de la securite d'un tel procede, car en cas de fuite de gaz, une explosion est possible pour une vaste gamme de concentrations d'hydrogene dans l'air. Le danger est beaucoup plus grave qu'avec du gaz naturel (methane).
Jusqu'a present, j'avais tendance a penser qu'en cas de fuite de gaz accidentelle dans une cuisine, l'hydrogene se concentrerait au voisinage du plafond, sans trop se melanger a l'air.

Visiblement, je me trompais completement...

En conclusion, melanger de l'hydrogene au gaz naturel pour une utilisation domestique semble etre une tres mauvaise idee, non?

l'hydrogène étant nettement plus léger que l'air, pour moi il va migrer rapidement au plafond,

dans un hydrocarbure comme le méthane c'est l'hydrogène qui brule, le carbone est un résidu, c'est peu ou prou la même chose que de bruler de l'hydrogène ou si je me trompe complètement?

[RomVi]

Bonjour

@Resartus Merci pour votre reponse tres complete.

Je ne pense pas que la separation de l'azote et du methane soit tres preoccupante vu les proportions. non ?
La purete du methane doit atteindre entre 95 et 97% mini. Si j'ai 0.01% d'azote ca devrait pas poser de soucis ? Ou j'oublie un parametre ?

Vu les quantite que j'ai en tete, la liquefaction fractionne risque de couter plus d'energie qu'elle va en rapporter.
C'est top comme solution de separation. D'ailleurs je me demande bien a quelle pression je dois monter pour que tous ces gaz se liquefient.

Sinon je me rabat sur une membrane pour separer le CO2 et le CH4. Et les autres avec des filtres chimiques (argile et charbon actif, etc..) et l'eau avec un bon vieux condenseur je suppose

Pas besoin de membrane, ou autre procédé compliqué, le CO2 se sépare en utilisant simplement de l'eau. Le gaz entre dans une tour de lavage sous pression, le CO2 s'y solubilise préférentiellement. L'eau est envoyé dans un flash, et le CO2 dégaze ; l'eau tourne en boucle.

Une autre solution, à l'étude actuellement, est d'injecter de l'hydrogène gazeux dans le méthaniseur. Des archées convertissent alors H2 et CO2 en CH4. On atteint alors une pureté proche de 98% sur CH4.

[RomVi]

En réalité, dans les digesteurs, on produit suffisamment de méthane pour chasser progressivement tous les autres gaz

On ne peut pas chasser ces gaz puisque ce sont ceux qui sont produit par le digesteur.

[Yvan_Delaserge]

Bonjour





Une autre solution, à l'étude actuellement, est d'injecter de l'hydrogène gazeux dans le méthaniseur. Des archées convertissent alors H2 et CO2 en CH4. On atteint alors une pureté proche de 98% sur CH4.

Voila qui est extremement interessant!
Le chainon manquant pour l'utilisation dlomestique de l'hydrogene "vert": Le transformer en methane.
Reste a voir s'il est pratique et economique d'utiliser ce procede a grande echelle.

[Yvan_Delaserge]

l'hydrogène étant nettement plus léger que l'air, pour moi il va migrer rapidement au plafond,

L'experience de Berthelot (#6) nous dit que non.

[mach3]

L'experience de Berthelot (#6) nous dit que non.

Vous avez tous deux tort et raison. Si on lâche de l'hydrogène pur dans l'air, à la même température, la première chose qui se va passer c'est que l'hydrogène va monter tout droit. Pourquoi? A cause de la poussée d'archimede. Une parcelle d'hydrogène pur est moins dense que l'air qui l'entoure, donc plus de pression en bas, moins en haut, ça monte. Pour que cela cesse, il faut que les gaz se mélangent et ça, ça se fait par diffusion et la diffusion, c'est assez lent (faites à manger à un bout du bâtiment, les odeurs de cuisson mettent de longues minutes à arriver à l'autre bout). Une parcelle d'hydrogène va recevoir de plus en plus de molécules de l'air et céder de plus en plus des siennes, sa densité va augmenter (et celle de l'air baisser) et on finira avec un tout petit gradient de concentration dû à la gravité.

Pour preuve de cela il y a les fameuses expériences "spectacle" avec du SF₆ qu'on peut littéralement verser dans des récipients ouverts et sur lequel on peut faire flotter des choses.

De même à propos du CO₂ ou de l'Argon dont on dit qu'ils vont s'accumuler au sol, c'est bien vrai mais sur le court terme : à long terme ils se mélangent à l'air par diffusion et sur des petites hauteurs le gradient sera négligeable.

m@ch3

[mach3]

Une manipulation où c'est bien visible, avec du NO₂ : https://www.sciencephoto.com/media/5...-acid-reaction

J'en ajoute une autre où on voit le transvasement de CO2 gazeux par imagerie Schlieren : https://m.youtube.com/watch?v=_JmnZptMiSs

m@ch3

[RomVi]

Voila qui est extremement interessant!
Le chainon manquant pour l'utilisation dlomestique de l'hydrogene "vert": Le transformer en methane.
Reste a voir s'il est pratique et économique d'utiliser ce procede a grande echelle.

C'est exactement le but, convertir l'hydrogène en méthane pour l'injecter dans le réseau existant.
Le procédé fonctionne très bien, mais se heurte à un problème physique : Pour convertir l'hydrogène en méthane il faut solubiliser celui ci dans l'eau, or l'hydrogène est tres peu soluble.
Il y a 2 façons de traiter le problème : Utiliser une très grande surface de contact avec une bonne diffusion, et injecter le gaz au fur et à mesure de sa consommation, ou bien effectuer la méthanation sous une pression élevée (pour augmenter la solubilité du gaz), ce qui ajoute une consommation d’énergie (frais de pompage). Dans les 2 cas ce n'est pour l'instant pas très rentable, mais des recherches sont en cours, et ça paye des chercheurs... Nous avons un petit réacteur pilote dans ma boite.
Le procédé est néanmoins absurde, dans le sens où le rendement globale est assez mauvais (moins de 50%). Le surplus d’électricité est mieux utilisé en remontant l'eau des barrages (rendement d'environ 80%).

[Yvan_Delaserge]

C'est exactement le but, convertir l'hydrogène en méthane pour l'injecter dans le réseau existant.
Le procédé fonctionne très bien, mais se heurte à un problème physique : Pour convertir l'hydrogène en méthane il faut solubiliser celui ci dans l'eau, or l'hydrogène est tres peu soluble.
Il y a 2 façons de traiter le problème : Utiliser une très grande surface de contact avec une bonne diffusion, et injecter le gaz au fur et à mesure de sa consommation, ou bien effectuer la méthanation sous une pression élevée (pour augmenter la solubilité du gaz), ce qui ajoute une consommation d’énergie (frais de pompage). Dans les 2 cas ce n'est pour l'instant pas très rentable, mais des recherches sont en cours, et ça paye des chercheurs... Nous avons un petit réacteur pilote dans ma boite.
Le procédé est néanmoins absurde, dans le sens où le rendement globale est assez mauvais (moins de 50%). Le surplus d’électricité est mieux utilisé en remontant l'eau des barrages (rendement d'environ 80%).

La reaction Hydrogene + CO2 -》 methane doit etre exothermique, non?
Est-ce qu'il suffit de mettre les deux reactifs en contact? Ou bien faut-il les comprimer? Les porter a haute temperature? Les mettre en presence d'un catalyseur?
Les archees utilisent probablement une enzyme en guise de catalyseur. Est-ce que l'intervention de cette enzyme permet un rendement plus eleve?
Si le rendement global est mauvais, est-ce que cela signifie qu'il faut depenser de l'energie pour chauffer le reacteur et le mettre sous pression?
Mais si la reaction est en elle -meme exothermique, peut-etre que les besoins en chauffage du reacteur sont par la-meme un peu reduits?

Toujours dans le theme de l'utilisation "domestique" du dihydrogene, je crois avoir lu quelque chose sur la transformation non pas en methane mais en ammoniaque. CH4 est combustible dans l'air, mais qu'en est-il de NH3?

[MissJenny]

CH4 est combustible dans l'air, mais qu'en est-il de NH3?

l'intérêt de CH4 est que la combustion produit des gaz non toxiques (parfois du CO mais on peut l'éviter) alors que la combustion de NH3 va produire NO ou NO2 qui posent des problèmes.

[XK150]

En conclusion, melanger de l'hydrogene au gaz naturel pour une utilisation domestique semble etre une tres mauvaise idee, non?

GRTgaz possède une station de pré-mélange hydrogène-gaz naturel avant l'injection dans le réseau :
Les spécifications du réseau gaz limite à ne pas dépasser 6 % d'hydrogène .
https://www.grtgaz.com/sites/default...2-24022020.PDF

[RomVi]

La reaction Hydrogene + CO2 -》 methane doit etre exothermique, non?
Est-ce qu'il suffit de mettre les deux reactifs en contact? Ou bien faut-il les comprimer? Les porter a haute temperature? Les mettre en presence d'un catalyseur?
Les archees utilisent probablement une enzyme en guise de catalyseur. Est-ce que l'intervention de cette enzyme permet un rendement plus eleve?
Si le rendement global est mauvais, est-ce que cela signifie qu'il faut depenser de l'energie pour chauffer le reacteur et le mettre sous pression?
Mais si la reaction est en elle -meme exothermique, peut-etre que les besoins en chauffage du reacteur sont par la-meme un peu reduits?

Toujours dans le theme de l'utilisation "domestique" du dihydrogene, je crois avoir lu quelque chose sur la transformation non pas en methane mais en ammoniaque. CH4 est combustible dans l'air, mais qu'en est-il de NH3?

Oui la réaction produit de la chaleur, mais celle ci sert à réchauffer le méthaniseur (il faut toujours prélever un peu de gaz pour le réchauffer suffisamment).
Dans un méthaniseur elle se produit à pression atmosphérique, mais il existe en effet un procédé purement chimique effectué sous pression.

Les archées utilisent en effet des enzymes, en passant par des réactions intermédiaires. Quand on parle de rendement il faut avant tout le définir, celui ci peut être quasi total, si on lui laisse le temps. La difficulté est d'arriver à convertir le CO2 aussi rapidement qu'il se forme.
On peut en effet bruler de l'ammoniac, mais il n'existe aucun réseau d'acheminement, ni de chaudière compatible et le rendement énergétique est similaire ; il est plus censé de faire du méthane.

[Yvan_Delaserge]

Il y a une page wikipedia ici, qui décrit en détail la forte exothermie de la réaction, et de la nécessité d'en contrôler la température. On y parle aussi des catalyseurs possibles.

[RomVi]

Dans un méthaniseur on ne peut pas utiliser de catalyseur...

[XK150]

Je ne comprends pas bien : c'est dire que la méthanation catalytique n'utilise pas de méthaniseur , mais un réacteur ?
Donc , dans " quoi " se fait la méthanation catalytique ? Dans un réacteur .

D'ailleurs , vu de l'extérieur , la méthanation catalytique semble plus prometteuse que la biologique :
https://projet-methanisation.grdf.fr...elles-filieres

[RomVi]

Je ne comprends pas bien : c'est dire que la méthanation catalytique n'utilise pas de méthaniseur , mais un réacteur ?
Donc , dans " quoi " se fait la méthanation catalytique ? Dans un réacteur .

Tout à fait, pas dans un "méthaniseur", qui est le sujet de ce fil.

La méthanation catalytique est plus rentable énergétiquement, mais plus complexe, il s'agit d'une vraie installation industrielle, avec les régulation, le personnel exploitant associé, alors qu'un méthaniseur n'est rien d'autre qu'une grosse cuve. L'investissement et les frais d'exploitation sont plus importants.

[XK150]

Le méthane catalytique de synthèse revient pour l'instant à 100 - 200 Euros le MWh ( dixit experts CEA ) .
Le gaz naturel se vendait à 20 Euros le MWh il n'y a pas si longtemps ; Mais on l'a vu récemment à 350 Euros le MWh .

Retour aux carburants de synthèse , comme en Allemagne à la fin de la 2 ème guerre mondiale ??? On en parle ...

[RomVi]

Le prix du gaz naturel n'est pas vraiment un indicateur car il est lié aux événements en Ukraine, et fait l'objet de toutes les dérives possibles. Dernièrement un lot a même été acheté à prix négatif (le distributeur a du payer pour qu'on lui prenne son gaz).
Le méthane biologique est à moins de 30 euros le MWh, ce qui explique qu'on voit pousser des méthaniseurs un peu partout.