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.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version courante de sept. 2023 par Eric FAVRE
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Éléments d’une évaluation technico-économique
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4. Modélisation des modules à fibres creuses
Pour une membrane à fibres creuses, trois types d’écoulement peuvent être envisagés (figure 13) qui sont les représentations idéalisées des configurations d’écoulement montrées (figure 10) : écoulement à cocourant avec évacuation du perméat dans la même direction que celle de l’alimentation, écoulement à contre‐ courant avec évacuation du perméat dans une direction opposée à celle de l’alimentation et écoulement à courant croisé avec évacuation immédiate du perméat dans une direction perpendiculaire à la membrane.
4.1 Pertes de charge
Les pertes de charge dans un module membranaire sont toujours nuisibles pour les performances de séparation car elles diminuent les forces motrices pour la perméation et augmentent les coûts de compression. Leurs effets sont d’autant plus importants que les niveaux de pression sont bas (donc surtout du côté perméat) et que la dimension des fibres est faible. Les pertes de charge du côté calandre, estimées expérimentalement en raison des connaissances peu précises de la géométrie exacte du système, sont considérablement moins importantes que les pertes de charge à l’intérieur des fibres et sont donc souvent négligées. En raison de très faibles dimensions des fibres creuses (de l’ordre de 0,1 mm), l’écoulement à l’intérieur des fibres est généralement laminaire et, de ce fait, les pertes de charge peuvent être déterminées par l’équation de Poiseuille-Hagen :
avec :
- µ :
- viscosité de gaz
- v :
- vitesse d’écoulement
- d :
- diamètre...
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Modélisation des modules à fibres creuses
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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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