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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3. Mise en œuvre des membranes
Les membranes de polymère sous forme de film ou fibre creuse doivent être assemblées dans des modules ou perméateurs.
3.1 Modules à fibres creuses
La réalisation des modules se fait par assemblage de quelques milliers à plus d’un million de fibres élémentaires, représentant une longueur cumulée pouvant atteindre 1 000 km, pour des surfaces membranaires de plus de 500 m2.
Un module de fibres creuses a la structure d’un échangeur tubulaire, avec un circuit haute pression (HP) et un circuit basse pression (BP), un côté tube et un côté calandre (figure 6).
La principale difficulté consiste en la réalisation des plaques tubulaires, étant entendu qu’il n’est évidemment pas question de raccorder les fibres une par une… Ces plaques tubulaires sont réalisées par l’encollage localisé de la nappe de fibres pendant la construction du faisceau, ce qui finit par bâtir un bloc étanche de résine époxyde enrobant les fibres. C’est l’usinage (délicat) de ces blocs qui permet de dégager les minuscules ouvertures de chaque fibre. Le module est complet après envirolage dans une calandre en métal ou en composite, construite selon les codes de pression du lieu de destination.
Chaque module est contrôlé individuellement et qualifié en sélectivité et en productivité. Malgré les progrès de fabrication, on n’échappe pas à une certaine dispersion des performances. Dans la mesure où la plupart des systèmes d’application font appel à des batteries de modules (figure 7), il est important de s’assurer de l’homogénéité du lot, en particulier si l’on recherche de la pureté : un seul module moins sélectif peut diminuer sensiblement la performance globale. Le repérage individuel des modules permet de les sélectionner en fonction de l’application visée.
HAUT DE PAGE3.2 Modules spirales
Un module spirale est constitué par l’enroulement des enveloppes membranaires autour d’un tube central percé, destiné à collecter le perméat. Une telle enveloppe est formée de deux membranes planes de forme rectangulaire, scellées sur trois côtés...
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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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