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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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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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- Version archivée 1 de sept. 2004 par Lian-Ming SUN, Jean-Yves THONNELIER
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7. Éléments d’ingénierie des procédés de perméation gazeuse
7.1 Typologie des situations
Il existe schématiquement trois cas de figure en termes de type de procédés de perméation gazeuse :
-
séparation monoétagée (cas le plus simple), souvent étudié en première approche (figure 12) ;
-
séparation multiétagée (le plus souvent limité à 2, voire 3 étages, en raison du coût croissant lié à l’utilisation de plusieurs compresseurs) ;
-
procédé hybride, associant un système de perméation gazeuse à un autre type de procédé (cas de loin le plus complexe).
Par ailleurs, le point de départ de la problématique consiste à définir précisément les objectifs visés (cahier des charges). Au gré des situations rencontrées, les contraintes de dimensionnement peuvent se limiter à un seul objectif de pureté au rétentat (x OUT, cas de la production d’azote ou de la purification du gaz naturel par exemple) ou au perméat (y, cas de l’hydrogène ou de l’oxygène par exemple). Cependant, un critère supplémentaire est fréquemment imposé, en termes de taux de récupération (également appelé rendement) du composé cible. Pour un composé cible rapide, récupéré au perméat, le taux de récupération R (0 < R < 1) s’exprimera de la façon suivante :
Dans le cas d’un composé cible récupéré au rétentat :
Il est à noter que dans certains cas un double objectif de pureté au perméat et rétentat est imposé. Ce cas de figure est analogue du point de vue méthodologie de résolution au cas d’une double contrainte pureté/taux de récupération.
Une fois le cahier des charges établi, la recherche des solutions possibles passe par une étude systématique...
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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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