Contacteur membranaire innovant pour la cristallisation : application aux systèmes de type diffusion / réaction

Innovative membrane crystallization contactor : applications to diffusion / reaction processes

• Auteur / Autrice : Maïté Michaud
• Direction : Denis Mangin, Élodie Chabanon, Catherine Charcosset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique, de Génie des Procédés et de génie Pharmaceutique (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : François Puel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Mangin, Élodie Chabanon, Catherine Charcosset, David Baltes, Claudia Cogné
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Muhr, Jean-Christophe Remigy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Scission (chimie)

Précipitation (chimie)

Cristallisation

Mots clés libres

Contacteurs membranaires

Membranes denses

Précipitation

Cristallisation

Colmatage

Modélisation

Membrane contactors

Dense membranes

Precipitation

Crystallization

Fouling

Modelling

Résumé

Les procédés membranaires sont considérés comme l’une des technologies de rupture les plus prometteuses pour les opérations de cristallisation/précipitation. Les matériaux les plus exploités à ce jour sont poreux mais leurs limitations en terme de bouchage de pores et de mouillage entravent le bon déploiement du procédé. L’utilisation de matériaux denses permettrait de s’affranchir de ce phénomène de colmatage des pores tout en conservant les bénéfices apportés par les procédés membranaires. Dans une première partie expérimentale, le composé modèle choisi, le BaCO3, est précipité dans un contacteur membranaire gaz-liquide et liquide-liquide, opéré dans les deux cas en conditions statiques. Cette configuration permet de s’affranchir de l’influence de l’hydrodynamique. Les interactions membranes-cristaux sont étudiées sur divers matériaux polymères denses. La perméabilité des espèces réactives et la tension de surface sont les deux paramètres ayant un impact majeur sur la localisation de la précipitation et la capacité à décrocher les cristaux déposés de la surface du matériau. Le PDMS et le Teflon AF 2400 ont été retenus comme étant les deux matériaux les plus prometteurs pour l’application visée car ils ne présentent pas de colmatage interne et de surface. Une deuxième partie expérimentale a été menée en conditions dynamiques sur le même composé modèle, en système gaz-liquide. Des modules membranaires de fibres creuses autosupportées (PDMS) et de fibres creuses composites (PP-Teflon AF 2400) ont été utilisés. Les études réalisées sur l’influence des paramètres opératoires ont présenté des résultats semblables à ceux des contacteurs membranaires utilisés pour le captage du CO2 : la résistance au transfert de matière est majoritairement localisée dans la phase liquide. Les performances stables obtenues sur le module PP-Teflon AF 2400 d’une compacité de 10 % ont permis de valider le concept. La géométrie du module, en particulier sa compacité, est un critère primordial pour limiter le colmatage du module. Enfin, une modélisation de mécanique des fluides en 2D, par la méthode des éléments finis, a été menée. Le modèle repose sur l’ajustement d’un seul paramètre cinétique. Les profils de concentration simulés ne sont pas satisfaisants. En revanche, le modèle permet de prédire correctement la productivité des cristaux

Membrane processes are considered as one of the most promising breakthrough technology for crystallization/precipitation operations. Porous materials have been extensively investigated but they have shown some serious limitations due to pore blocking and wetting phenomenon. The use of a dense membrane is expected to circumvent the pore blocking issue while keeping the advantages of membrane processes. In a first part, the model compound, BaCO3, is precipitated within a gas-liquid or liquid-liquid membrane contactor working under static conditions for both systems. In this configuration, hydrodynamic influences are avoided. The membrane-crystals interactions are studied using several dense membrane polymers. Permeability of both reactant species and surface tension are the key parameters to be considered. Indeed, these parameters greatly affect the deposit location of the crystals and their adherence on the membrane surface. Fouling within the membrane and on the surface are prevented with PDMS and Teflon AF 2400 which are thereby the two most promising materials for the given application. In a second part, the same model compound is precipitated in gas-liquid system under dynamic conditions. Self-supporting (PDMS) and composite hollow fibers (PP-Teflon AF 2400) are studied. Investigations on the operating condition influences show similar results to those obtained with membrane contactor used for CO2 capture: resistance to mass transfer is mainly located in the liquid phase. Proof of concept is supported by the stable performances obtained with the PP-Teflon AF 2400 module of 10 % packing ratio. The module geometry, and more specifically its packing ratio, is an important criterion to take into account to avoid module blocking. Finally, 2D computational fluid dynamics simulations, using the finite element method are performed. One single kinetic parameter is used to fit the experimental data. The simulated concentration profiles are not satisfactory. Nonetheless, predictability of the model seems to be promising: crystal productivities are rather well estimated