Numerical study of adsorption for fluids mixture near critical point in a micro-cavity

Abstract

International audienceThe main goal of this paper is the study of adsorption and mass transfer in a binary mixture near the solvent’s critical point. The physical model consists of a dilute mixture (naphthalene-supercritical CO2) enclosed in a rectangular cavity of height of order 1 mm with a hot and adsorbent plate at the bottom wall. To benefit from the supercritical fluid specific properties and optimize thermodynamics conditions allowing a better adsorption with a good mass transfer, effects of the critical point proximity and heating are the object of several numerical simulations in the present work. The mathematical model used is based on the solution of the Navier-Stokes equations, coupled with energy and mass diffusion equations with the Peng-Robinson equation of state. In order to reduce computational costs, these equations are solved in the low Mach approximation. The velocity field, perturbation of the mass fraction as well as the temporal evolution of the average Sherwood number are presented for different heatings. The confinement effect is also analysed. The results show that in the mixture critical point neighborhood and for a very high heated wall, the homogeneous adsorption of the solute is obtained. Among other key results, we cite that, under the same optimized conditions, the mass transfer on the adsorbent plate is better.L'objectif principal de cet article est l'étude d'une réaction d'adsorption et des transferts de masse associés dans un mélange binaire près du point critique du solvant. Le modèle physique consiste en un mélange dilué (naphtalène-CO2 supercritique) contenu dans une cavité rectangulaire d'une hauteur de l'ordre de 1 mm et présentant sur sa paroi inférieure une plaque chauffée et adsorbante. Pour tirer parti des propriétés spécifiques du fluide supercritique et optimiser les conditions thermodynamiques permettant une meilleure adsorption avec un bon transfert de masse, les effets de la proximité du point critique et du chauffage font l'objet de plusieurs simulations numériques dans le présent travail. Le modèle mathématique utilisé est basé sur la résolution des équations de Navier-Stokes, couplées aux équations d'énergie et de diffusion des espèces ainsi qu'à l'équation d'état de Peng-Robinson. Afin de réduire les coûts de calcul, ces équations sont résolues dans le cadre de l'approximation à faible nombre de Mach. Le champ de vitesse, la perturbation de la fraction massique ainsi que l'évolution temporelle du nombre moyen de Sherwood sont présentés pour différents chauffages. L'effet de confinement est également analysé. Les résultats montrent que, dans le voisinage du point critique du mélange et pour un fort chauffage de la paroi, on obtient l'adsorption homogène du soluté.Parmi les autres résultats clés, citons que, dans les mêmes conditions optimisées, le transfert de masse sur la plaque adsorbante est meilleur

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