Présentation
En anglais
Auteur(s)
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Lian-Ming SUN : Expert Groupe, Centre de recherche Claude-Delorme - Air Liquide - Docteur de l’université Pierre-et-Marie-Curie
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Jean-Yves THONNELIER : Collège des experts, Centre de recherche Claude-Delorme - Air Liquide
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Lire l’articleINTRODUCTION
La perméation gazeuse a connu au cours des deux dernières décennies un fort développement des applications industrielles pour la séparation et la purification des gaz. Elle est aujourd’hui largement utilisée pour la production d’azote à partir de l’air, pour la récupération d’hydrogène dans des sources diluées, pour le traitement du gaz naturel ou, encore, pour le séchage ou le traitement des composés organiques volatils (COV).
Si la perméation gazeuse a trouvé sa place technique et économique dans des domaines traditionnellement réservés à des procédés bien en place (distillation, adsorption, lavage), c’est en raison de progrès accomplis dans l’ensemble des éléments constitutifs d’une « solution membrane » :
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dans les domaines des matériaux polymères – amélioration des sélectivités ;
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dans la technologie des modules, en taille, en qualité, en arrangements dans la circulation des fluides ;
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dans la mise en œuvre de ces modules, dans des systèmes intégrant les fonctions nécessaires à la protection des films (ou fibres) contre le risque d’un vieillissement prématuré ou d’une pollution accidentelle, et ainsi que régulations et contrôles nécessaires à une bonne exploitation des membranes, en régime de production comme dans les phases d’arrêt ou de démarrage ;
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et enfin dans l’analyse technico-économique pour un meilleur positionnement des membranes dans la panoplie des solutions. La perméation gazeuse permet avant tout de concentrer ou d’appauvrir un mélange en l’un de ses constituants ; elle se prête moins bien à des séparations complètes visant à la production de gaz de haute pureté.
La perméation gazeuse a pour atout principal la simplicité d’un procédé « sec » à température modérée, permettant un traitement continu après une étape de compression ou en profitant d’une pression disponible. De multiples variantes intéressantes introduisant des recyclages, des compressions multiples, des balayages, ont été décrites. Pour autant, la solution membrane aura d’autant plus de chance d’être la plus adaptée qu’on cherchera à l’utiliser pour ce qu’elle sait faire, et en privilégiant les arrangements les plus simples.
À l’ingénieur désireux de s’informer sur les aspects fondamentaux, nous proposons des informations sur les matériaux et les bases théoriques de la séparation par membrane.
Au lecteur confronté à un problème particulier et désireux d’évaluer une « solution membrane », nous avons souhaité apporter un guide à sa réflexion : choix des matériaux, influence des caractéristiques intrinsèques à la membrane et des variables opératoires, etc.
Enfin nous avons souhaité présenter l’état de l’art en donnant des exemples des principales applications industrielles et évoquer les développements en cours.
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VERSIONS
- Version courante de sept. 2023 par Eric FAVRE
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Membranes de perméation gazeuse
En anglais
1. Aspects généraux
Contrairement à la plupart des autres technologies de séparation (distillation, absorption, majorité des procédés d’adsorption), la séparation par la perméation gazeuse est un procédé cinétique. Ce procédé est basé sur les différences des vitesses de perméation à travers une membrane des constituants d’un mélange gazeux. Les performances de séparation de la technologie de perméation gazeuse dépendent des :
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permsélectivités – définies par les natures des gaz et du matériau utilisé ;
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des forces motrices disponibles (généralement des différences de pressions partielles) ;
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l’agencement des différents flux à l’intérieur des modules de membrane.
1.1 Principe et terminologie
La séparation d’un mélange gazeux par un procédé membranaire est rendue possible par une perméation sélective des différents constituants du mélange à travers une membrane. Dans un tel procédé, un flux d’alimentation, généralement en haute pression, est mis en contact avec une membrane pour permettre à la partie la plus perméable de ce flux de traverser la membrane jusqu’à l’autre côté, maintenu en basse pression (figure 1). Le flux du gaz perméé, celui du perméat, est enrichi en constituants les plus perméables (constituants rapides ) tandis que le flux du gaz non perméé, celui du rétentat ou encore du résidu est concentré en constituants les moins perméables (constituants lents ).
Dans certains cas, il est utile de faire circuler un flux de balayage, exempt de (ou pauvre en) constituants les plus perméables, du côté du perméat d’une membrane afin d’accroître la différence des pressions partielles des deux côtés de la membrane.
HAUT DE PAGE1.2 Classification des différents types de membranes
Les membranes utilisées pour la séparation des gaz sont très variées et peuvent être classées en fonction de leurs mécanismes de transport associés (figure 2).
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Aspects généraux
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HAUT DE PAGE
Dans les Techniques de l’Ingénieur
PETIT (P.) - Séparation et liquéfaction des gaz – - J 3 600. Traité Génie des procédés (1995).
CHARPIN (J.) - AGOSTINI (J.-P.) - Perméation gazeuse – - J 2 800. Traité Génie des procédés (1991).
AUDINOS (R.) - Membranes semi- perméables. Membranes de perméabilité gazeuse. - Traité Constantes physico- chimiques (2000).
HAUT DE PAGE
Ouvrages généraux
HO (W.S.) - SIRKAR (K.K.), eds - Membrane Handbook. - Chapman & Hall, New York (1992).
HUMPHREY (J.L.) - KELLER II (G.E.) - Procédés de Séparation. Techniques, sélection, dimensionnement. - Dunod, Paris (2001).
KOROS (W.J.) - CHERN (R.T.) - Separation of Gaseous Mixtures Using Polymer Membranes. - Handbook of Separation Process Technology (éd. R.W. Rousseau). John Wiley & Sons, New York (1987).
PAUL (D.R.) - YAMPOL’SKII (Y.P.), eds - Polymeric Gas Separation Membranes. - CRC Press, London (1994).
PORTER (M.C.), ed - Handbook of Industrial Membrane Technology....
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