Couplage distillation/pervaporation

I.4.2.1.Généralités

Les difficultés rencontrées par la distillation pour séparer les mélanges azéotropiques ou présentant une volatilité relative réduite sont connues et étudiées depuis longtemps. Plusieurs stratégies ont été proposées pour ce type de mélange comme la distillation extractive avec un tiers-corps ou la distillation par changement de pression ou encore l’adsorption physique sur tamis moléculaire. Cependant, ces techniques sont pour la plupart énergivores ou s’accompagnent d’une augmentation importante des CAPEX (coûts d’investissement, acronyme de Capital Expenditure) ou OPEX (coûts opérationnels, acronyme d’Operating Expenditure) ainsi que d’une pollution possible des produits (cas de distillation extractive). Dans ce cadre, l’utilisation de la pervaporation, en hybridation avec une ou plusieurs colonnes à distiller, apparaît comme une alternative permettant de dépasser les limites de ce procédé conventionnel ; la pervaporation ne traitant que la gamme de composition où la distillation est peu efficace. On parle alors de distillation assistée par pervaporation. D’après l’état de l’art des procédés hybrides impliquant la pervaporation proposé par Lipnizki et al. [83], la production d’éthanol et d’isopropanol (IPA) est le cas le plus appliqué et le plus étudié des procédés hybrides. Leur analyse des publications et brevets montre qu’il existe différentes configurations dépendant fortement du système à séparer et notamment de la composition de l’azéotrope (ou du pincement éventuel de la courbe d’équilibre liquide/vapeur), de la composition du courant d’alimentation, du type de membrane et du recyclage éventuel des différents courants.

I.4.2.2.Configurations du couplage distillation/pervaporation

Ce type de procédés hybrides est utilisé quand les mélanges présentent des limites thermodynamiques et notamment des azéotropes. L’intérêt général du couplage est soit de diminuer le nombre de plateaux (cas de non-azéotropie), soit de ne pas utiliser un tiers corps (cas de distillation extractive) et/ou une deuxième colonne (cas distillation « pression-swing »). Lorsque l’azéotrope présente une composition proche de 50/50, il est intéressant de coupler le module de pervaporation avec deux colonnes à distiller.

Généralement, trois types de procédés hybrides sont différenciés lors d’un couplage avec une colonne à distiller :

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Chapitre I. Aspects théoriques des procédés de pervaporation et de perméation de vapeurs

I.4.2.3.Production d’éthanol et d’IPA

Les mélanges eau/éthanol et eau/IPA présentent, à pression atmosphérique, des azéotropes à des compositions molaires en eau de, respectivement, 0,1053 et 0,3167 [85]. La configuration la plus étudiée pour ce cas est le cas S-1 où un module de pervaporation équipé d’une membrane hydrophile est placé en tête d’une colonne à distillation permettant d’atteindre une composition proche de l’azéotrope. La membrane permet ensuite de retirer l’eau résiduelle afin d’obtenir une teneur en alcool supérieure aux azéotropes. Des études alternatives de type 2S-1 ont aussi été envisagées, toujours pour des membranes hydrophiles.

Concernant la production d’éthanol, Tusel et al. [13] proposent des systèmes à une membrane, mais aussi des configurations à deux membranes de nature différente placées en série [48]. Selon leurs auteurs, les configurations proposées permettent une diminution intéressante de la consommation énergétique du procédé et/ou un coût d’investissement moins important. L’analyse économique de chaque publication est propre aux conditions dans lesquelles elles ont été réalisées, notamment sur le coût des utilités ou l’emplacement de l’usine. Il est donc difficile de généraliser sur l’intérêt de l’utilisation de la pervaporation.

Sander et al. [86] présentent l’étude d’un procédé hybride (type S1) à plus grande échelle qui, selon l’analyse économique proposée, permet une économie d’énergie d’environ 66% comparé à une distillation avec entraîneur.

Concernant la production d’IPA, à l’instar du mélange eau/éthanol, le procédé le plus étudié est le cas S-1 en utilisant un module équipé d’une membrane hydrophile en tête d’une colonne à distiller permettant d’atteindre la composition azéotropique. La membrane permet alors d’atteindre la composition souhaitée. Brüschke [87] propose un procédé hybride composé d’une colonne de distillation (qui permet d’atteindre l’azéotrope entre l’eau et l’IPA) suivie d’un module de pervaporation pour traiter un courant constitué de 50 % d’alcool et permettant d’atteindre une teneur massique finale de 99,5 %. Selon l’analyse de cet auteur, les OPEX sont réduits d’environ 25 % pour un débit de 500 kg/h et de près de 45 % pour un débit d’alimentation de 2000 kg/h par rapport à un procédé conventionnel de référence.

I.4.2.4.Autres domaines d’application

La déshydratation de solvants organiques formant un azéotrope pauvre en eau est réalisable avec le même type de procédé hybride. De même, l’utilisation de ce type de procédé couplé est possible pour traiter des mélanges non azéotropiques, lorsque la volatilité relative du mélange est faible.

Dans le document Potentialités de la pervaporation dans les procédés hybrides de séparation (Page 54-58)