Modeling of an electrochemical reactor aimed for calcium hydroxide production in aqueous media

Modélisation d’un réacteur électrochimique pour la production d’hydroxyde de calcium en milieu aqueux

¹ Thermodynamics department, University of Mons, Belgium
² Chemical and biochemical process engineering Department, University of Mons, Belgium

^* Email: simon.laurent@umons.ac.be

Abstract

Anthropogenic CO₂ emissions from cement and lime production are mainly due to the decarbonation of the limestone. Alongside usual CO₂ capture technologies, an innovative electrochemical reactor model designed to directly produce calcium hydroxide and hydrogen through water electrolysis could be an alternative technology for reducing CO₂ emissions, while eliminating carbon dioxide emissions from combustion in decarbonation kilns in the lime industry.

The development of a numerical model capable of simulating electrochemical and chemical phenomena within the reactor, identifying key parameters and optimising operating conditions for a pilot reactor is an important step. This study focuses on characterising material flows in the reactor and minimising energy consumption.

The model developed in this work can establish energy and material balances within the reactor. In particular, it analyses the effects of inter-electrode distance and electrolyte concentration on energy performance. The simulations show the influence of pH and calcium carbonate dissolution kinetics, as well as the production of calcium hydroxide as a function of the applied current. It is a first step towards the design of an industrial pilot reactor. The model provides a good approximation of the major physical phenomena and enables new configurations to be tested. However, certain simplifications, such as the neglecting the precise geometry of the reactor and the idealisation of membrane behaviour, will require further work to improve the model’s performance.

Résumé

Les émissions anthropiques de CO₂ liées à la production de ciment et de chaux sont principalement dues à l’étape de décarbonatation du calcaire. Outre les différentes technologies classiques de capture du CO₂, un réacteur électrochimique conçu pour produire directement de l’hydroxyde de calcium et de l’hydrogène par électrolyse de l’eau pourrait être une technologie alternative pour réduire le CO₂, en éliminant les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion qui a lieu dans les fours de décarbonatation dans l’industrie de la chaux.

Le développement d’un modèle numérique capable de simuler les phénomènes électrochimiques et chimiques dans le réacteur, d’identifier les paramètres clés et d’optimiser les conditions de fonctionnement d’un réacteur pilote est une étape importante dans le développement de cette nouvelle technologie. L’étude se concentre sur la caractérisation des flux de matières dans le réacteur et la minimisation de la consommation d’énergie.

Le modèle développé est capable d’établir des bilans d’énergie et de matière dans le réacteur. Il permet notamment d’analyser les effets de la distance inter-électrodes et de la concentration de l’électrolyte sur la performance énergétique. Les simulations montrent l’influence du pH et de la cinétique de dissolution du carbonate de calcium, ainsi que la production d’hydroxyde de calcium en fonction du courant appliqué.

Ce modèle est un premier pas vers la conception d’un réacteur pilote industriel. Il fournit une approximation réaliste des principaux phénomènes physiques et permet de tester de nouvelles configurations. Cependant, certaines simplifications, comme la non-prise en compte de la géométrie détaillée du réacteur et l’idéalisation du comportement des membranes, nécessiteront de futurs travaux pour améliorer les performances du modèle.