Simulation of CO₂ Pipeline Flow in a Taylor–Couette Reactor – M2 / Engineering Internship

Host laboratories:

LAGEPP (Laboratoire d’Automatique, de Génie des Procédés et de Génie Pharmaceutique) – focusing on process engineering, fluid dynamics, and reactor design.

MATEIS (Matériaux : Ingénierie et Science) – specializing in materials characterization and corrosion science.

Both laboratories are located on the Lyon-Tech La Doua Campus (Villeurbanne, France).

Laboratoires d’accueil :

LAGEPP (Laboratoire d’Automatique, de Génie des Procédés et de Génie Pharmaceutique) – spécialisé en génie des procédés, dynamique des fluides et conception de réacteurs.

MATEIS (Matériaux : Ingénierie et Science) – spécialisé en science et ingénierie des matériaux, notamment en corrosion.

Les deux laboratoires sont situés sur le Campus Lyon-Tech La Doua (Villeurbanne, France)

Internship Topic – Master 2 / Engineering Program: Simulation of CO₂ Pipeline Flow Conditions in a Taylor–Couette Reactor System

Project: “Material Science Innovation for Accelerated, Sustainable and Safe Implementation of Carbon Capture and Storage” (MISSION-CCS) project.

Funding: Horizon Europe – Framework Programme for Research and Innovation - HORIZON-MSCA-2022-DN-01 Reference Number 101118369 — MISSION-CCS

The global push toward carbon neutrality has intensified research into Carbon Capture and Storage (CCS) technologies, particularly in the transportation of CO₂ through pipelines. However, carbon steel pipelines are prone to corrosion, especially when impurities such as water, SO_x, NO_x or O₂ are present. Understanding the hydrodynamic conditions that influence corrosion processes is therefore crucial for ensuring pipeline integrity and long-term reliability. In real pipeline systems, CO₂ flow can exhibit complex regimes ranging from laminar to turbulent, influenced by pressure, temperature, and impurities. Replicating these flow conditions under controlled laboratory settings is essential for studying corrosion mechanisms and mitigation strategies

A Taylor–Couette flow system comprising of two coaxial cylinders where one rotates relative to the other offers a promising means to reproduce pipeline-like flow regimes in a compact, controllable setup. By adjusting the rotational speed and geometric parameters, the system can simulate hydrodynamic behaviors comparable to those occurring in full-scale CO₂ pipelines, including laminar, Taylor vortex, wavy vortex, and turbulent regimes.

This study aims to leverage Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations using COMSOL Multiphysics to model CO₂ flow within a Taylor–Couette configuration (fig.1), thereby establishing a framework for correlating laboratory hydrodynamics to real-world pipeline conditions.

Therefore, this project is in conjunction with the development of a constant composition reactor for in-situ, real-time corrosion measurement which requires a hydrodynamic environment that is translatable to CO₂ pipeline transport conditions. A detailed simulation of the Taylor–Couette flow system is needed to:

1. Determine feasible operating conditions that reproduce relevant pipeline flow regimes and flow rates,

2.    Validate the current reactor design or propose new geometrical dimensions (cylinder height, gap width, diameter ratio) suitable for replicating realistic hydrodynamic conditions.

Supervisors: Dr. Djibrilla Noma (LAGEPP), Dr. Sabrina Marcelin (MATEIS), Bunmi Adeleke (Ph.D student, MATEIS)

Version française

Sujet de stage M2 – cycle ingénieur : Simulation des conditions d’écoulement dans un pipeline de CO₂ à l’aide d’un système réacteur de type Taylor–Couette

Projet: “Material Science Innovation for Accelerated, Sustainable and Safe Implementation of Carbon Capture and Storage” (MISSION-CCS) project.

Financement: Horizon Europe – Framework Programme for Research and Innovation - HORIZON-MSCA-2022-DN-01 Reference Number 101118369 — MISSION-CCS

La dynamique mondiale en faveur de la neutralité carbone a intensifié les recherches sur les technologies de Captage et de Stockage du Carbone (CSC), notamment en ce qui concerne le transport du CO₂ par pipelines. Cependant, les pipelines en acier carbone sont sujets à la corrosion, en particulier en présence d’impuretés telles que l’eau, les oxydes de soufre (SOₓ), les oxydes d’azote (NOₓ) ou l’oxygène (O₂). Comprendre les conditions hydrodynamiques qui influencent les processus de corrosion est donc essentiel pour garantir l’intégrité et la fiabilité à long terme des pipelines

Dans les systèmes réels, l’écoulement du CO₂ peut présenter des régimes complexes allant du laminaire au turbulent, influencés par la pression, la température et les impuretés. Reproduire ces conditions d’écoulement en laboratoire, dans un environnement contrôlé, est indispensable pour étudier les mécanismes de corrosion et les stratégies d’atténuation.

 Un système d’écoulement de type Taylor–Couette, composé de deux cylindres coaxiaux dont l’un tourne par rapport à l’autre, constitue une méthode prometteuse pour reproduire des régimes d’écoulement similaires à ceux observés dans les pipelines, dans un dispositif compact et maîtrisable. En ajustant la vitesse de rotation et les paramètres géométriques, il est possible de simuler des comportements hydrodynamiques comparables à ceux rencontrés à l’échelle réelle : écoulement laminaire, vortex de Taylor, vortex ondulés et régimes turbulents.

 Ce stage a pour objectif de tirer parti de la simulation en Dynamique des Fluides Numérique (CFD) à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics pour modéliser l’écoulement du CO₂ dans une configuration Taylor–Couette (voir fig.1), et ainsi établir un cadre de référence permettant de relier l’hydrodynamique en laboratoire aux conditions réelles dans les pipelines.

Ce travail s’inscrit également dans le cadre du développement d’un réacteur à composition constante, destiné à des mesures in situ et en temps réel de la corrosion, nécessitant un environnement hydrodynamique transposable aux conditions de transport du CO₂ dans les pipelines. Une simulation détaillée du système Taylor–Couette est donc nécessaire afin de :

1. Déterminer des conditions opératoires réalistes permettant de reproduire les régimes d’écoulement et les débits caractéristiques du transport de CO₂,

2. Valider la conception actuelle du réacteur ou proposer de nouvelles dimensions géométriques (hauteur du cylindre, largeur de l’espace annulaire, rapport des diamètres) adaptées à la reproduction de conditions hydrodynamiques réalistes. 

Encadrants : Dr. Djibrilla Noma (LAGEPP), Dr. Sabrina Marcelin (MATEIS), Bunmi Adeleke (Ph.D student, MATEIS)

Skills / Compétences requises :

Experience in Computational Fluid Dynamics (CFD) using COMSOL, ANSYS, or OpenFOAM.

Good oral and written communication skills in English.

Education / Formation :

Master’s degree (M2) or final year of engineering school (5A) in Fluid Mechanics, Mechanical Engineering, or Process Engineering.

M2 / 5ᵉ année ingénieur en Mécanique des Fluides, Génie Mécanique ou Génie des Procédés.