Présentation
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.
Pour de plus amples informations sur la perméation gazeuse, le lecteur se reportera aux références [1] [2] [3] parues dans les Techniques de l’Ingénieur.
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- Version courante de sept. 2023 par Eric FAVRE
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Principales applications de la perméation gazeuseArticle inclus dans l'offre
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5. Éléments d’une évaluation technico-économique
L’ingénieur désireux d’évaluer une solution par distillation, absorption ou adsorption aura à sa disposition une offre abondante d’équipements, de matériaux, de règles de dimensionnement qui lui permettront d’évaluer et de comparer différentes solutions.
À la différence de ces procédés conventionnels, la voie membranaire est d’abord limitée par la disponibilité en modules industriels.
La perméation gazeuse est une technologie plus récente, qui s’est développée autour de quelques grandes applications, pour lesquelles un nombre restreint de fournisseurs ont développé une gamme de membranes et de modules qui sont d’abord destinés à répondre aux spécifications de ces applications.
Deux cas peuvent alors se présenter :
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si l’application envisagée entre dans le domaine des applications connues, c’est par le dialogue avec le fournisseur que se précisera l’analyse technico-économique de la solution ;
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si l’application envisagée n’entre pas dans cette catégorie, on se devra alors s’interroger sur une possibilité de réemploi de modules disponibles :
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• on devra tout d’abord s’assurer que les membranes disponibles offrent une sélectivité intéressante au regard de la séparation envisagée,
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• la connaissance des sélectivités et de flux, associée aux éléments de procédés présentés au paragraphe 4, permettra de préciser le dimensionnement dans ses paramètres principaux : surface de membrane, pressions de marche, rendements (taux de récupération du produit recherché, à la pureté souhaitée),
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• on aura alors une première évaluation de l’intérêt de la solution, tant en investissement (membranes et machines) qu’en consommation énergétique.
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Une évaluation plus complète devra aussi ne pas oublier de prendre en compte les facteurs...
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Éléments d’une évaluation technico-économique
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PETIT (P.) - Séparation et liquéfaction des gaz – - J 3 600. Traité Génie des procédés (1995).
-
(2) - CHARPIN (J.), AGOSTINI (J.-P.) - Perméation gazeuse – - J 2 800. Traité Génie des procédés (1991).
-
(3) - AUDINOS (R.) - Membranes semi- perméables. Membranes de perméabilité gazeuse. - Traité Constantes physico- chimiques (2000).
-
(4) - HO (W.S.), SIRKAR (K.K.), eds - Membrane Handbook. - Chapman & Hall, New York (1992).
-
(5) - HUMPHREY (J.L.), KELLER II (G.E.) - Procédés de Séparation. Techniques, sélection, dimensionnement. - Dunod, Paris (2001).
-
(6) - KOROS (W.J.), CHERN (R.T.) - Separation of Gaseous Mixtures Using Polymer Membranes. - Handbook of Separation...
1 Fournisseurs de membranes et/ou de systèmes membranaires
(liste non exhaustive)
Air LiquideAir Products & Chemicals, Inc.CynaraGeneron Innovative Gas SystemsGKSS ForschungszentrumMembrane Technology & Research, Inc.Sterling Fluid SystemsUbe Industries HAUT DE PAGE
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