Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les procédés de séparation de gaz par membranes connaissent un développement industriel continu depuis les années 1980 et constituent aujourd’hui une des technologies clés dans le domaine (avec la distillation cryogénique, l’absorption gaz-liquide et l’adsorption). Cet article propose un état de l’art sur les principes de mise en œuvre de la technologie (matériaux, processus, procédés), ainsi que sur les méthodes et outils de conception utilisables pour étudier une application donnée (rôle du matériau et des conditions opératoires, choix d’une architecture mono ou multiétagée). Les principales applications industrielles sont décrites, ainsi que les perspectives, basées en particulier sur de nouveaux matériaux nanostucturés.
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Membrane gas separation processes have undergone continuous industrial development since the 1980s and today constitute one of the key technologies in the field (along with cryogenic distillation, gas-liquid absorption and adsorption). This article proposes a state of the art on the principles of implementation of the technology (materials, processes) as well as on the methods and design tools that can be used to study a given application (role of the material and the operating conditions, choice of single or multistage architecture). The main industrial applications are described, as well as the prospects based in particular on new nanostructured materials.
Auteur(s)
-
Eric FAVRE : Professeur des Universités - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés - ENSIC – Université de Lorraine, Nancy, France
INTRODUCTION
La perméation gazeuse connaît depuis les années 1980 un fort développement industriel pour la séparation et la purification des gaz, domaine longtemps réservé à des procédés traditionnels comme la distillation, l’absorption ou l’adsorption. Elle est aujourd’hui largement utilisée pour la production d’azote à partir de l’air, la purification d’hydrogène, le traitement du gaz naturel et du biogaz, le séchage des gaz ou encore la récupération de composés organiques volatils (COV).
L’atteinte de cet objectif a été précédée par une longue période de recherche et développement, au cours de laquelle une série de réalisations a pu voir le jour dans le domaine des matériaux (élaboration de structures sélectives à très fine couche active), des modules membranaires (techniques de production et d’assemblage, encollage, empotage, maîtrise des écoulements) et de la conception d’ensemble des systèmes industriels (chaîne de protection des modules contre les poussières et contaminants, limitation du vieillissement, gestion des arrêts/redémarrages). Au final, la perméation gazeuse a pu se positionner sur un large ensemble d’applications, identifiées sur la base d’analyses technico-économiques, principalement pour des fonctions de concentration ou d’appauvrissement de mélanges gazeux en un constituant présentant une vitesse de perméation rapide (hydrogène, oxygène, COV) ou lente (azote, méthane) dans des polymères denses. Pour des applications nécessitant une haute pureté, son utilisation n’est généralement pas adaptée et le recours à des procédés hybrides ou à une technologie alternative est alors préférable.
Plus généralement, le procédé de perméation gazeuse présente des atouts de premier plan, en particulier dans un contexte de production durable : fonctionnement continu (pas d’étape de régénération), pas de production de déchets (séparation physique), système compact et léger, efficacité énergétique, mise en place nécessitant simplement une étape de compression (ou profitant d’une ressource sous pression). De multiples variantes introduisant des recyclages, des compressions multiples ou des balayages peuvent être proposées pour répondre aux cahiers des charges, mais la recherche d’une solution faisant appel à l’arrangement le plus simple (typiquement un ou deux étages de perméation) reste une priorité.
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 membranes.
Au lecteur confronté à un problème particulier et désireux d’évaluer les possibilités et les limites de la perméation gazeuse, nous avons souhaité apporter des éléments pour guider sa réflexion : outils méthodologiques de conception du procédé permettant d’analyser l’influence des caractéristiques des matériaux (critères de choix), des conditions opératoires (rapport de pression, taux de prélèvement) et de l’architecture du procédé (systèmes mono- ou multi-étagés)
Enfin, nous avons souhaité présenter l’état de l’art en donnant des exemples des principales applications industrielles actuelles et évoquer les développements potentiels.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles, notations et symboles utilisés.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
processes | separations | gases | membranes
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2004 par Lian-Ming SUN, Jean-Yves THONNELIER
DOI (Digital Object Identifier)
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Modes de transport des gaz dans les matériaux membranaires
En anglais
2. État de l’art
La technologie de perméation gazeuse basée sur des polymères denses connaît un fort développement depuis les années 1980 au travers de quelques sociétés spécialisées en technologies pour gaz industriels, avec le recours à des matériaux polymères vitreux. L’objectif était dans un premier temps la séparation des gaz de l’air et la purification d’hydrogène (Air Products, Air Liquide-Medal, Parker-Hannifin, Ube) et le traitement du gaz naturel (Natco-Cynara, UOP). La réglementation sur les émissions de polluants dans l’air à partir des années 1990 a également stimulé le développement de matériaux élastomères pour la récupération de Composés Organiques Volatils (COV) de l’air par la société MTR aux États-Unis, puis Sihi-GKSS et Borsig en Europe. Comparativement, les matériaux inorganiques (zéolites, tamis moléculaires carbonés, graphènes, MOF…) restent encore aujourd’hui très peu usités malgré les performances de séparation remarquables qu’ils peuvent offrir. Néanmoins, les progrès spectaculaires réalisés récemment, tant dans la synthèse de matériaux nanostructurés que dans les technologies d’élaboration, laissent entrevoir une évolution significative, comme en témoigne l’arrivée sur le marché de modules commerciaux équipés de membranes inorganiques.
Il a été indiqué ci-dessus que les séparations de gaz par membranes ont montré un fort déploiement dans de nombreux secteurs industriels, à partir de la première application industrielle Permea/Monsanto en 1980. Le marché des séparations de gaz par membrane est estimé en 2010 à plus d’un milliard de dollars par an, avec un taux de croissance annuel autour de 8 à 10 % ces dernières années. Le marché devrait augmenter considérablement à l’avenir.
-
Les procédés membranaires présentent en effet des arguments décisifs dans un cadre de production durable :
i) aucun produit chimique n’est nécessaire pour réaliser la séparation, qui est basée sur un processus physique strict. Par conséquent, il n’y a pas de génération de déchets (comme dans le cas de la dégradation des solvants en produits chimiques indésirables en absorption), ni de pertes ou émissions associées de composés indésirables ;
ii)...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - STERN (S.A.), WALAWEND (W.P) - Analysis of membrane separation parameters, - Sep. Sci., 4 p.129 (1969).
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(2) - BLAISDELL (C.T.), KAMMERMEYER (K.) - Counter-current and co-current gas separation, - Chem. Eng. Sci., 28 p.1249-1255 (1973).
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(3) - PAN (C.Y.), HABGOOD (H.W.) - An analysis of the single-stage gaseous permeation process, - Ind. Eng. Chem. Fundam., 4 p.323-331 (1974).
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(4) - PAN (C.-Y.), HABGOOD (H.W.) - Gas separation by permeation part I. Calculation methods and parametric analysis, - Can. J. Chem. Eng., 56 p.197-209 (1978).
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(5) - KALDIS (S.P.), KAPANTAIDAKIS (G.C.), SAKELLAROPOULOS (G.P.) - Simulation of multicomponent gas separation in a hollow fiber membrane by orthogonal collocation-hydrogen recovery from refinery gases, - J. Membr. Sci., 173 p.61-70 (2000).
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