Pervaporation de composés purs : approche expérimentale du couplage entre transfert de matière et transfert de chaleur

par Sid-Ali Amine Toudji

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Soutenue le 10-04-2018

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-Marseille) .

Le président du jury était Violaine Athès.

Le jury était composé de Murielle Rabiller-Baudry, David Dominique Brutin.

Les rapporteurs étaient Laetitia Perez, Éric Favre.


  • Résumé

    L'objectif de ce travail est l'étude du procédé de pervaporation et plus particulièrement la compréhension des mécanismes de transfert de masse et de chaleur dans une membrane en polymère qualifiée de dense. Une meilleures compréhension des mécanismes permettrait de lever les verrous limitant le développement de ce procédé, comme les faibles flux de matière ainsi que l'origine et la quantité de chaleur nécessaire au transfert à travers la membrane. Pour cela, nous avons développé un dispositif expérimental qui permet de mesurer en simultané les densités de flux de matière et de chaleur. La configuration frontale statique de perméation du dispositif mis en place donne accès au profil de température du liquide d'alimentation. Ces données de température ont permis de calculer les densités de flux de chaleur engagées durant les expériences de pervaporation grâce à un calcul par méthode inverse couplé à une simulation STAR CCM+. La densité de flux de matière est mesurée par une nouvelle méthode. La nouvelle méthode utilise un capteur de pression situé dans le réservoir d'alimentation permettant de mesurer en continu la densité de flux de matière synchronisée avec la mesure des températures. Afin de simplifier au maximum les contraintes expérimentales, nous nous sommes restreints à la perméation de composés purs. La corrélation des deux flux mesurés nous a conduit à observer que la quantité de chaleur prise au fluide en amont pour pervaporer une unité de masse de liquide pur est inférieure à la quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser ce même liquide. Elle représente 50 % de celle-ci dans le cas de l’eau et seulement 25 % dans le cas de l’éthanol.

  • Titre traduit

    Pervaporation of pure compounds : experimental approach of the coupling between mass and heat transfer


  • Résumé

    The aim of this work is to study the pervaporation process and specifically to understand the mass and heat transport mechanisms in a dense polymeric membrane. A better understanding of these mechanisms would make it possible to improve the limiting parameters for the development of this process, such as the low mass fluxes as well as the origin and the quantity of heat required for transport through the membrane. In order to answer these questions, we have developed an experimental setup that allows simultaneous measurement of mass flux and heat flux density. The dead-end permeation of the setup developed gives access to the temperature profile of the liquid feed. These temperature data make possible the estimation of the heat flux densities engaged during the pervaporation experiments by means of an inverse computation coupled with a STAR CCM + simulation. The mass flux is measured by a new method in addition to the gravimetric method used as a reference. The new method uses a pressure sensor located in the feed tank to continuously measure the mass flux with 1Hz raw acquisition frequency synchronized with the temperature measurement. In order to simplify the experimental constraints, we applied only permeation of pure liquids. The correlation of the two fluxes (mass and heat density) measured led us to observe that the amount of heat taken to the feed side to pervaporate a unit mass of pure liquid is less than the amount of heat required to vaporize the same liquid. It represents 50% of it in the case of water and only 25% in the case of the ethanol.

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