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Perméation gazeuse

La perméation gazeuse, comme la diffusion gazeuse, est une technique de séparation de gaz par membrane.

Principe

Sous l'effet d'une différence de pression de part et d'autre d'une membrane, les gaz auront tendance à migrer au travers avec une vitesse qui dépend de la nature du gaz.
On peut classer les gaz selon leur vitesse de migration.
Du plus rapide au plus lent:
- vapeur d'eau
- hydrogène
- hélium
- hydrogène sulfuré
- anhydride carbonique
- oxygène
- argon
- monoxyde de carbone
- méthane et hydrocarbures
- azote

L'écoulement est continu et tangentiel:
Le gaz à traiter, sous pression élevée, entre à une extrémité de l'appareil, et s'écoule parallèlement à la surface de la membrane où une partie du gaz est absorbée et diffuse au travers.
A l'autre extrémité de l'appareil sort un gaz appauvri en certains de ses constituants.
De l'autre coté de la membrane, coté basse pression, est extrait un gaz plus riche en éléments les plus rapides.

La perméation gazeuse doit être considérée plus comme un procédé de fractionnement que comme un procédé de séparation.
La composition d'un gaz peut être modifiée, mais les constituants d'un mélange complexe ne peuvent être séparés.

Les membranes

Contrairement aux membranes de diffusion gazeuse, les membranes de perméation sont denses et exclusivement polymériques.
On peut distinguer:
- les élastomères
- les plastomères vitreux
- les polymères semi-cristallins
- les polymères semi rigides

Les membranes sont de type ASYMETRIQUE:
La sélectivité de la membrane est assurée par une peau très fine supportée par une sous couche de même nature mais plus poreuse, ou de nature différente (membrane composite) qui assure la résistance mécanique de l'ensemble.
L'épaisseur de la peau va de quelques 1/100µm à 1µm, pour une épaisseur totale de la membrane de 25 à 250µm.
La géométrie de la membrane est du type fibre creuse ou capilaire pour réduire le rapport volume/surface des appareils.

Les modules

Les modules les plus utilisés appartiennent à 2 types:
- modules spirales
se présente comme une cellule unique constituée:
d'un compartiment amont,
d'une membrane de filtration
d'un compartiment aval
enroulée en spirale autour d'un axe.
On obtient des surfaces de 100 à 500m2/m3.
- modules à fibres creuses
les fibres creuses sont de petits tubes de 1 à 4m de long assemblés en faisceau.
On obtient des surfaces de 1000 à 8000m2/m3.

Plusieurs modules peuvent être assemblés en série ou en parallèle pour constituer un étage de perméation.
Pour améliorer la pureté des produits, plusieurs étages peuvent être nécessaires.

Applications

La perméation gazeuse est une bonne technique pour concentrer un produit mais est moins adaptée à l'obtention de puretés importantes.
Les principales applications industrielles sont:
- récupération d'hydrogène de gaz de purge de production d'ammoniac ou de raffinage (production d'un perméat à 90% de H2)
- déshydratation de l'air (Prism Cactus Air Dryer de Monsanto)
- déshydratation d'hydrocarbures
- purification de gaz naturel (obtention de 2% de CO2, qq ppm H2S)
- préparation d'air enrichi en oxygène (40% d'oxygène en 1 étage)
- production d'azote d'inertage (1 à 5% d'oxygène)

Les avantages

Comparée aux procédés traditionnels, la perméation gazeuse présente:
- une faible consommation énergétique
- un appareillage compact qui le rend facile à installer
- une automatisation facile qui permet l'installation de petites unités décentralisées
- une grande sécurité de fonctionnement

Perméation de vapeur

Technique similaire à la perméation gazeuse mais s'appliquant à l'extraction de composés de poids moléculaire plus élevés dilués dans un gaz, la perméation de vapeur est utilisée entre autre dans l'épuration de rejets gazeux.
Le gaz à épurer contenant des composés condensables est mis en contact avec une membrane. Une différence de pression est maintenue de part et d'autre de cette membrane par un compresseur coté du gaz à épurer et / ou une pompe à vide de l'autre coté.
Au contact de cette membrane, les composés les plus lourds se fixeront à la surface puis diffuserons au travers pour être libérés gazeux sous forme concentrée coté aval.
On parle de solution-diffusion.
Les composés extraits peuvent être condensés ou recyclés gazeux dans le procédé selon le cas.
Le taux d'extraction peut être de 95%.
Les membranes sont constituées d'une mince couche active en polydiméthylsiloxane (PDMS) en contact avec le gaz à épurer, supportée par un milieu poreux chargé d'assurer la résistance mécanique de la membrane et de favoriser la diffusion des composés extraits.




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