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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6. Principales applications de la perméation gazeuse
6.1 Application des membranes en matériaux polymères vitreux
L’application la plus fréquente est le traitement de gaz de purge (haute pression) pour la récupération d’hydrogène.
HAUT DE PAGE6.1.1 Récupération d’hydrogène
L’hydrogène, gaz « rapide » pour une majorité des matériaux polymères, présente une excellente permsélectivité vis‐à‐vis de la plupart des autres gaz. La membrane est donc bien adaptée lorsqu’il s’agit de récupérer de l’hydrogène dans des sources en contenant, même si cet hydrogène est récupéré dans le perméat, c’est‐à‐dire en basse pression.
L’industrie du raffinage, à travers les différentes étapes d’élaboration des produits pétroliers, est à la fois productrice et utilisatrice d’hydrogène. L’hydrogène produit dans une étape est utilisé dans une autre, en particulier pour l’élimination du soufre par sa conversion en H2S . Les spécifications environnementales de plus en plus contraignantes vont, globalement, dans le sens d’une plus grande demande en hydrogène. Il devient alors intéressant de le récupérer partout où il se trouve, en particulier dans les purges des hydrotraitements : la membrane permet de séparer l’hydrogène non converti de l’H2S et des hydrocarbures. Un exemple de procédé pour la récupération de l’hydrogène à partir des purges des hydrotraitements est montré figure 22 a .
Les membranes sont également utilisées pour la récupération de l’hydrogène des purges des réacteurs de synthèse de l’ammoniac, du méthanol et d’autres produits pétrochimiques ainsi que pour l’ajustement de la composition des gaz de synthèse (le ratio H2 / CO).
Le recours aux membranes pour la récupération de l’hydrogène est généralement bien justifié quand la pureté d’hydrogène demandée n’est pas très élevée (< 99 %) et quand la perte de pression n’est pas trop pénalisante. Dans le cas contraire, l’utilisation d’un...
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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).
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(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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