Transfert de matière en pervaporation application à la deshydratation de mélanges complexes

par Véronique Rollet

Thèse de doctorat en Génie des procédés industriels

Sous la direction de Pierre Schaetzel.

Soutenue en 2000

à Compiègne .

mots clés

Résumé

L'objectif de notre étude est la compréhension des lois régissant le transfert de matière en pervaporation, en vue du dimensionnement d'un procédé pour la déshydratation de mélanges complexes : mélanges Fusel, Léger et eau-isopropano1-sel. Dans un premier temps, une étude sur le mécanisme de la pervaporation du mélange eau éthanol a été effectuée avec de nouvelles membranes synthétisées en PVA-PAA (90- l 0,). Lors de l'étude de l'équilibre de sorption, une synergie de sorption de l'éthanol induite par l'eau, a été quantifiée. Des modèles de solution-diffusion ont été testés pour le calcul du transfert de matière : les modèles du composé clé, du volume libre total et le modèle à six paramètres ont été utilisés pour prédire les flux d'eau et d'éthanol à pression aval variable. L'existence d'une couche limite à l'interface amont de la membrane engendre des phénomènes de polarisation de température et de concentration. Ces phénomènes limitant le transfert pervaporatif ont été mis cil évidence de façon indépendante à l'aide d'une cellule de laboratoire. Les transferts de chaleur et de matière en pu être décrits par des corrélations de type Nusselt et Sherwood. Des essais ont été effectués avec polarisations de température et de concentration simultanées, et la modélisation a permis de prédire les phénomènes observés. Nous avons finalement étudié l'ingénierie de la pervaporation en vue de la déshydratation de mélanges complexes, avec des membranes commerciales GFT. Nous avons déterminé les équations décrivant le transfert pervaporatif de ces mélanges sur des modules de laboratoire et de taille pilote. Le dimensionnement a été effectué en régime isotherme, puis en régime non-isotherme grâce à la nouvelle méthode de calcul que nous avons établie. Une installation couplant la pervaporation et la distillation a été proposée pour la déshydratation de chacun de ces mélanges

Résumé

The aim of our study is the understanding of laws governing mass transfer in pervaporation. The design of an optimised coupled distillation-pervaporation process able to desydrate multi-component water-alcohol mixtures (Fuser and Light oils and a water-IPA-salt mixture) is the target of this work Water-éthanol binary mixtures are separated by pervaporation through a new synthezised PVA-PAA (90-10) membrane. The sorption of water and ethanol by the membrane are studied experimentally and described by an empirical approach; a synergy of sorption between ethanol and water is observed and modelised. Three different solution-diffusion models are used to describe the mass transfer experiments : the key-component- the total-free-volume- and six-parameter model are studied. The mass transfer parameters are computed from binary pervaporation results at nit downstream pressure. The three theoretical approaches are checked by computing the fluxes when the upstream pressure varies: the predicted fluxes using the TFV- and KC- equations are in agreement with the experimental results. For the six-parameter model, the prediction is less precise. The concentration and temperature polarisation at the upstream liquid-membrane interface are described by Nusselt and Sherwood type correlations winch could predict fairly the experimental fluxes observed when both polarisations occurred simultaneously. Finally, some engineering aspects of pervaporation are studied. A GFT commercial membrane is employed to dehydrate multicomponent water-alcohol mixtures. The mass transfer equations are obtained from lab scale and pilot-scale pervaporation units. A new process simulation method is proposed for multistage, multicomponent pervaporation when each module is modelised as a non-isothermal plug-slow reactor. To optimize the separation a coupled pervaporation-distillation process is simulated.