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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7. Recherche et développement
7.1 Membranes en matériaux polymères
La recherche et le développement des nouveaux matériaux polymères demeureront très actifs dans les années à venir afin d’obtenir des matériaux avec des propriétés de séparation améliorées pour les applications émergentes (séparation de CO2 /CH4, CO2 /N2 , oléfine/paraffine), avec meilleures résistances à l’empoisonnement (par les hydrocarbures lourds par exemple), avec des sélectivités inverses (voir § 7.4), etc.
Par ailleurs, des efforts seront faits pour acquérir des meilleures connaissances sur les relations entre les structures et les propriétés de perméation. Jusqu’à présent, ces connaissances sont essentiellement basées sur la théorie des contributions de groupes utilisant le concept du volume libre et des corrélations empiriques entre les structures des monomères et les mesures macroscopiques des propriétés de transport. Les récents progrès accomplis dans le domaine de la modélisation moléculaire vont permettre de construire des modèles microscopiques (atomistiques, moléculaires) plus réalistes et moins empiriques, de mieux comprendre les relations structures – propriétés (QSPR) et enfin d’aider à modifier les structures des polymères en vue d’améliorer les propriétés de séparation.
HAUT DE PAGE7.2 Membranes à matrice mixte
Les matériaux polymères utilisés pour les membranes sont soumis à la contrainte de compromis entre leurs perméabilités et leurs sélectivités, comme l’illustre la figure 3. De ce fait, avec les membranes polymères, il est difficile d’obtenir des permsélectivités élevées tout en conservant des perméabilités suffisantes. Une des solutions permettant de franchir cette limitation est d’utiliser des matériaux mixtes avec des adsorbants de type tamis moléculaire...
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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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