Les objectifs de la thèse

Les contacteurs membranaires à fibres creuses constituent un nouveau type de contacteur

gaz-liquide présentant des caractéristiques de fonctionnement très différentes de celles des contacteurs

conventionnels à colonnes. En effet, ils permettent de maintenir une séparation physique complète

entre les deux phases et d’atteindre une aire interfaciale 5 à 10 fois supérieure à celle des meilleures

colonnes à garnissage structuré. Ce potentiel, très séduisant et innovant, induit actuellement la

publication d’un grand nombre de travaux concernant l’application des contacteurs membranaires dans

de nombreux secteurs.

Cependant dans le cadre de l'absorption du CO

dans une solution aqueuse de MEA, l’examen

de la littérature fait apparaître un doute sur la stabilité des propriétés des contacteurs membranaires ;

en effet, plusieurs articles mentionnent la dégradation des performances de transfert due à une attaque

chimique du polymère par le solvant d’absorption et au mouillage progressif des pores. La pénétration

de liquide, même de façon très partielle, a pour conséquence de générer une résistance supplémentaire

et de provoquer une forte diminution du transfert de matière. Ainsi ce problème de mouillage constitue

un frein au développement des contacteurs membranaires gaz-liquide.

D'après la littérature, ce sont les contacteurs à base de fibres de PTFE qui s’avèrent être les

plus fiables. Cela s’explique par l’inertie chimique bien connue de ce polymère fluoré et, d’autre part,

par l’hydrophobie plus grande de ce matériau qui peut donc supporter des pressions de percée

supérieures au PP. Toutefois, la constance des performances à long terme n’est pas garantie car les

conditions de non mouillage (loi de Laplace) peuvent ne plus être satisfaites sous l’effet d’à-coups de

pression pouvant se produire dans le procédé de séparation.

Les objectifs et les interrogations de notre étude sont les suivants.

1) Comme la structure microporeuse est à la source des pertes de performances des

contacteurs membranaires actuels en absorption gaz-liquide, la question qui se pose est de savoir si

l’on peut concevoir et réaliser des contacteurs membranaires à fibres denses et notamment composites

avec une fine peau dense (~1µm), qui auraient un coefficient de transfert de matière analogue aux

contacteurs microporeux. En effet, cette démarche permettrait de lever le principal verrou des

contacteurs membranaires en empêchant physiquement le mouillage de la membrane par une barrière

dense, seule garantie de performances stables.

Bien évidement cette question pose le problème de l’existence de membranes polymères

extrêmement perméables au CO

par rapport aux membranes classiquement utilisées comme la

cellulose, le PTFE ou les polyimides. Or il existe justement deux types de matériaux qui n’ont encore

été qu’assez peu testés dans le domaine des contacteurs membranaires gaz-liquide ; il s’agit d’une part

des élastomères, connus pour leur grande perméabilité comme le PDMS, mais aussi pour leurs

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mauvaises propriétés mécaniques, et d’autre part des polymères dits « supervitreux » à la fois très

perméables et mécaniquement résistants. Il reste à savoir si ces polymères présentent une bonne

résistance chimique au contact prolongé d'une solution aqueuse de MEA.

2) Evaluer de façon comparée les performances des fibres microporeuses et denses,

homogènes ou composites, avec un mélange binaire CO

/N

comme modèle simple d’une fumée de

post combustion.

Des tests comparatifs de perméabilité de films plans et de fibres creuses devront être réalisés

afin de savoir si les propriétés de perméation au CO

des fibres sont maintenues par rapport à des

membranes planes de plus grandes épaisseurs.

L’absorption de CO

dans la MEA sera mise en œuvre avec des mini-modules constitués de

fibres microporeuses ou de fibres denses afin de comparer les performances des différents types de

contacteurs dans des conditions opératoires identiques. Les questions auxquelles on s’efforcera de

répondre sont :

- est-ce que les fibres non poreuses développées sont intéressantes en situation d’absorption

gaz-liquide malgré la résistance au transfert de matière de la structure dense et, si oui, dans

quelles conditions et plage de fonctionnement?

- quel est le degré d’efficacité de capture que l’on peut obtenir avec ce type de modules à

l’échelle laboratoire ?

- ces fibres creuses non poreuses assurent-elles des performances stables à long terme ?

3) Développer un outil mathématique pour prédire les performances des fibres et des modules

qui soit applicable aux contacteurs poreux ou denses, dans des conditions proches de celles

rencontrées en industrie.

Dans les logiciels de simulation de procédés, tels que Pro II ou Aspen, il n’existe pas de

module de simulation prédéfini pour les contacteurs membranaires. Il est donc nécessaire de choisir un

outil de calcul et de l’adapter à l’absorption gaz-liquide via des contacteurs membranaires. Alors que

de nombreux modèles mathématiques sont en partie empiriques, nous souhaitons développer un

modèle prédictif, sans paramètres ajustables, basé sur une description précise des processus

élémentaires de transfert de matière. Seule cette approche peut permettre de réaliser des simulations

réalistes pour dimensionner un module de taille industrielle. Enfin une question primordiale pour un

opérateur industriel, est celle du facteur d’intensification que l'on peut prédire pour le captage du CO

avec des modules membranaires comparativement à des contacteurs à colonnes.

Notre travail est une étude complète qui nécessite plusieurs étapes, allant du choix de

matériaux originaux à l’estimation du facteur d’intensification par le biais de simulation. A notre

connaissance, une telle analyse n’a encore jamais été effectuée et constitue un projet original.

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Chapitre II

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II. Matériels et méthodes