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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Mise en œuvre industrielle : modules de perméation
En anglais
5. Matériaux membranaires en perméation gazeuse
-
Il existe une grande diversité de structures membranaires en perméation gazeuse. Cependant, la plupart des matériaux utilisés industriellement comportent une fine couche dense de polymère sélectif sur un support poreux de même nature (membranes dites asymétriques) ou de nature différente (membranes composites). Le dépôt d’une couche dite de calfatage constituée d’un polymère très perméable mais non sélectif (du type silicone) sur la couche active, proposé en 1980 pour les membranes d’Air Products, est très souvent appliqué, afin de limiter les baisses de performances dues à des défauts dans la matrice dense.
Par ailleurs, les matériaux membranaires peuvent exister sous forme plane (pour une utilisation dans des modules plans ou spiralés (figure 5) ou cylindrique, qualifiées alors de fibres creuses (figure 6) pour des modules éponymes.
-
Les caractéristiques clés d’un matériau membranaire nécessaires à une étude de dimensionnement pour une application donnée se limitent principalement à la connaissance des valeurs de perméance B des différents composés. Il est effectivement très difficile d’obtenir une valeur précise de l’épaisseur de la couche active (z) d’une membrane industrielle et le support peut jouer également un rôle dans la valeur de perméance effective. D’autre part, seul le terme permettant de calculer précisément le flux d’un composé à partir de la force motrice locale (B) est requis d’un point de vue dimensionnement (la valeur de l’épaisseur de la membrane n’intervient pas directement). Il faut insister sur le risque lié à une simple utilisation de données de perméabilité (ou perméance) obtenues avec des gaz purs (et généralement sur des matériaux de laboratoire autosupportés) pour réaliser une simulation représentative de la réalité industrielle. Des écarts significatifs sont souvent observés entre la perméabilité d’un matériau dense homogène (c’est-à-dire non supporté) (figure 5 a), et celle d’une membrane industrielle asymétrique ou composite (le support, les différentes couches ou le traitement de surface pouvant impacter le coefficient de transport effectif)....
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Matériaux membranaires en perméation gazeuse
BIBLIOGRAPHIE
-
(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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