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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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1. Contexte et principes généraux
La problématique générale du choix et de la conception d’un procédé de séparation d’un mélange gazeux recouvre un très grand nombre de situations et de secteurs industriels. À titre d’exemple, le traitement de ressources naturelles (purification du gaz naturel et du biogaz, extraction d’hélium), la séparation des gaz de l’air (production d’azote, d’oxygène, d’argon), le fractionnement de flux gazeux industriels (sidérurgie, raffinage, gazéification, chimie, énergie), la production d’air enrichi en oxygène ou la récupération de gaz anesthésiants en milieu hospitalier, le traitement d’effluents gazeux pour respecter les normes environnementales de rejet à l’atmosphère et recycler des composés volatils, l’inertage des réservoirs de carburants (y compris en aéronautique), le traitement d’atmosphère intérieure dans les dispositifs embarqués (sous-marins, navettes spatiales), les dispositifs domestiques ou portatifs d’assistance respiratoire ou de traitement de la pollution intérieure des bâtiments, montrent, de manière non exhaustive, la grande diversité des applications, la large gamme de taille des unités concernées et les nombreux types d’implantations.
D’un point de vue pratique, quatre stratégies différentes peuvent a priori être envisagées pour réaliser, sur la base d’un processus physique, un effet séparatif sur un mélange gazeux disponible à une température et à une pression donnée, conduisant à quatre technologies distinctes (tableau 1) :
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refroidissement du mélange jusqu’à son point de rosée pour développer un étage d’équilibre ou déployer une cascade d’équilibre liquide-vapeur (distillation cryogénique, condensation de vapeurs) ;
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dissolution sélective dans un liquide avec, le plus souvent, recyclage du liquide dans une boucle de régénération par chauffage ou dépressurisation (absorption gaz-liquide) ;
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rétention sélective sur un solide avec cycles de régénération par dépressurisation et/ou chauffage (adsorption gaz-solide, PSA, TSA, VSA) ;
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utilisation d’un matériau permsélectif (membranes, perméation gazeuse).
Pour les trois premiers types de procédés, les possibilités de séparation...
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BIBLIOGRAPHIE
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