Étude d'un nouveau procédé de concentration de solutions thermosensibles : l'évaporation osmotique : optimisation et application à la concentration de jus de pomme
par Ali Benhabiles
Thèse de doctorat en Génie des Procédés Industriels
Sous la direction de Roger Ben Aïm.
Soutenue en 1998
à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .
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Résumé
L'évaporation osmotique est une nouvelle opération membranaire dont le but est la concentration de solutions aqueuses à température ambiante et à pression atmosphérique. Le liquide à concentrer (phase d'alimentation) est séparé d'une solution salée très concentrée (phase réceptrice) par l'intermédiaire d'une fine membrane microporeuse hydrophobe. Le moteur du transfert de vapeur d'eau de la phase d'alimentation vers la phase réceptrice est un gradient de pression de vapeur d'eau dû à la différence de pression osmotique entre les deux liquides de part et d'autre de la membrane. Une synthèse bibliographique permet de situer l'évaporation osmotique par rapport aux autres contacteurs à membrane et notamment, par rapport à la distillation membranaire. L'étude théorique montre que dans des conditions normales d'utilisation, le flux de vapeur s'exprimera de façon différente selon la valeur du rapport du libre parcours moyen des molécules à la dimension de pore : selon les cas, la dimension de pore influera ou non sur le flux de vapeur transférée. Par la suite, une étude du procédé en cellule de diffusion a été menée. Les influences sur le flux de la pression osmotique de la phase réceptrice, des vitesses d'agitation des solutions, de la température ainsi que celles de l'épaisseur et de la dimension des pores de la membrane ont été évaluées. Les résultats de cette étude paramétrique ont ensuite été utilisés pour vérifier la validité du modèle de transport, évaluer les résistances au transport dues à la membrane et à la couche limite de concentration dans la phase réceptrice et enfin pour modéliser le procédé en cellule agitée (régime non laminaire) par l'établissement d'une expression reliant les trois nombres adimensionnels Reynolds, Schmidt et Sherwood. L'étude en cellule agitée a été complétée par une évaluation du rôle joué par la présence d'air dans les pores et par une application à la concentration de solutions à fortes teneurs en glucose. La dernière partie du travail concerne des essais pilotes sur du jus de pomme. Elle a montré la possibilité de concentrer ce jus de fruit jusqu'à 630 g/I. Dans la perspective d'une application industrielle, un schéma type d'installation combinant osmose inverse et évaporation osmotique a été proposé et les consommations énergétiques estimées.
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Titre traduit
Osmotic evaporation : a concentration process for thermosensitive aqueous solutions : optimisation and application to apple juice concentration
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