Conception et étude d'un évaporateur membranaire à membrane métallique

Abstract

L'Evaporation Membranaire est un nouveau type de procédé utilisant un contacteur à membrane liquide/gaz pour la concentration de produits thermosensibles à haute valeur ajoutée. Ce procédé permet de mettre en contact par l'intermédiaire d'une membrane macroporeuse métallique hydrophobe, une solution aqueuse à concentrer et une phase extractante à savoir de l'air sec. La force motrice du transfert est la différence de pression partielle de vapeur d'eau existant de part et d'autre de la membrane. Les propriétés de conduction thermique et électrique des membranes métalliques permettent un apport d'énergie au niveau des pores de la membrane pour compenser le phénomène de polarisation de température entraîné par l'évaporation du solvant. Ce travail est divisé en trois parties. La première concerne la caractérisation des membranes et la détermination de l'influence du traitement de surface, permettant de les rendre hydrophobes, sur leurs propriétés structurelles. La deuxième partie est consacrée à l'étude expérimentale du procédé d'évaporation membranaire. L'influence de nombreux paramètres opératoires sur les performances du procédé a ainsi été déterminée et des flux évaporatoires comparables à ceux obtenus en évaporation osmotique ont été obtenus démontrant ainsi la faisabilité du procédé. Un modèle théorique tenant compte des transferts de masse et de chaleur a été développé dans une troisième partie. Le modèle a été validé et a permis de prouver que dans les conditions opératoires étudiées, la résistance de la couche limite en phase gaz limite les performances du procédé. Par ailleurs, des simulations ont permis de mettre en évidence l'effet de polarisation de température se produisant à la surface de la membrane lors de la vaporisation de l'eauMembrane Evaporation is a new type of process using a liquid/gas membrane contactor for the concentration of thermo sensitive products with high added value. This process makes it possible to put in contact by means of a hydrophobic metal macroporous membrane, an aqueous solution to be concentrated with a flow of dry air which is the extracting fluid. The driving force of the transfer is the difference of water vapour partial pressure between the both sides of the membrane. Thermal and electric conduction properties of metallic membranes allow supplying, at pores level, the necessary energy to compensate the phenomenon of polarization of temperature caused by the solvent evaporation. This work is divided into three parts. The first relates to the characterization of the membranes and the determination of the influence of the surface treatment, making it possible to make them hydrophobic, on their structural properties. The second part is devoted to the experimental study of the membrane evaporation process. The influence of different operational parameters on the process performances was thus given. Evaporating fluxes reached were comparable with those of osmotic evaporation process thus proving the feasibility of the membrane evaporation process. A theoretical model taking into account mass and heat transfer was developed in a third part. The model was validated and made it possible to demonstrate that under the studied operating conditions, the resistance of the boundary layer in gas phase limits the performances of the process. In addition, simulations allowed highlighting the effect of polarization of temperature occurring at the surface of the membrane during the vaporization of waterMONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF