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Michel Jaffrin Procédés de filtration membranaire Download free books at Download free eBooks at bookboon.com 2 Michel Jaffrin Procédés de filtration membranaire Download free eBooks at bookboon.com 3 Procédés de filtration membranaire 1ère édition © 2014 Michel Jaffrin & bookboon.com ISBN 978-87-403-0665-1 Download free eBooks at bookboon.com Click on the ad to read more Procédés de filtration membranaire 4 Table des matières Table des matières 1 Introduction 6 1.1 Principes et principaux paramètres de la filtration 6 1.2 Classification des procédés membranaires 7 2  Rappels de mécanique des fluides 11 2.1 Ecoulement de Poiseuille 11 2.2 Ecoulement turbulent (Re >2600) 12 2.3 Lois de la filtration tangentielle 13 3  Divers types de membranes et modules 20 3.1 Membranes organiques (cellulosiques et polymériques) 20 3.2 Membranes minérales 21 3.3 Divers types de modules 22 4 Modélisation des circuits membranaires 24 4.1 Conservation des débits volumiques et massiques 24 4.2  Bilan sur un circuit de filtration en batch simple, sans boucle de recirculation (Fig. 9) 25 www.sylvania.com We do not reinvent the wheel we reinvent light. 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Light is OSRAM Download free eBooks at bookboon.com Click on the ad to read more Procédés de filtration membranaire 5 Table des matières 4.3 Circuit de diafiltration en batch simple (Fig. 10) 27 4.4 Batch avec boucle de recirculation (Fig. 11) 28 4.5  Fonctionnement en continu avec des étages en série et des modules en parallèle 29 4.6 Conduite d’essais sur pilote 32 4.7 Nettoyage des membranes 32 5  Applications des procédés membranaires 35 5.1 Applications à l’industrie laitière 36 5.2 Autres applications agro-alimentaires 41 5.3 Applications médicales et biotechnologiques 45 5.4 Optimisation des procédés par étude technico-économique 51 6 La filtration dynamique 54 6.1 Principe de la filtration dynamique 54 6.2 Systèmes industriels de filtration dynamique 55 7 Résumé 67 8 Références 69 8.1 Exercices d’application 70 © Deloitte & Touche LLP and affiliated entities. 360° thinking. Discover the truth at www.deloitte.ca/careers © Deloitte & Touche LLP and affiliated entities. Di Deloitte & Touche LLP and affiliated entities. 360° thinking. Discover the truth at www.deloitte.ca/careers © Deloitte & Touche LLP and affiliated entities. 360° thinking. Discover the truth at www.deloitte.ca/careers Download free eBooks at bookboon.com Procédés de filtration membranaire 6 Introduction 1 Introduction Le but des procédés de filtration membranaire est de séparer des molécules d’une solution ou des particules d’une suspension par une membrane, tout en limitant son colmatage pour obtenir un fonctionnement stable pendant 20 h au moins. On distingue deux types de procédés, la filtration tangentielle et la filtration frontale. 1.1 Principes et principaux paramètres de la filtration 1.1.1 Principe la filtration tangentielle Le fluide circule parallèlement à la membrane à partir d’un réservoir sous l’action d’une pompe. Seule une partie, le perméat traverse les pores de la membrane par l’effet d’une différence de pression (pression transmembranaire, ptm) tandis que le reste (retentât) est évacué ou recyclé sur le réservoir. Les pores de la membrane vont arrêter les macromolécules et les particules de taille supérieure, tandis que les microsolutés (molécules et particules plus petites que les pores) passeront dans le perméat. 1.1.2 Principe de la filtration frontale Dans ce cas, le fluide est forcé de traverser la membrane placée perpendiculaire à l’écoulement et la concentration du retentât augmente rapidement. Ce système est surtout employé avec des fluides dilués et le colmatage de la membrane est plus rapide qu’en filtration tangentielle. 1.1.3 Principaux paramètres de la filtration Le débit de perméat (ou filtrat) QF, est le débit traversant la membrane, en m3/s ou en lit/heure (l/h). Le flux de perméat est J = QF/S, débit de perméat par unité de surface de la membrane, exprimé en généralement en l/hm2. La pression transmembranaire moyenne ptm est donnée par Ptm = (pa+pr)/2 -pF,  (1) où pa est la pression d’alimentation, pr celle du retentât en sortie de la membrane et pF la pression du filtrat. Le coefficient de tamisage S de la membrane est S = CF/Cr,  (2) où CF est la concentration du perméat et Cr celle du retentât. On utilise aussi le taux de rejet R= 1-S; le rejet est total si S=0 ou R=1. Pour une membrane possédant des pores réguliers, le rejet sera nul pour des solutés de diamètre inférieur à celui des pores et sera égal à 1 pour de solutés de diamètres supérieurs à celui des pores. En fait il existe toujours une dispersion de la taille des pores qui fait qu’il arrive fréquemment que des solutés ne passeront qu’à travers une partie des pores et seront partiellement rejetés avec un taux de rejet <1. Download free eBooks at bookboon.com Procédés de filtration membranaire 7 Introduction Les membranes sont caractérisées par leur perméabilité hydraulique Lp=J/ptm où J est le flux d’eau pure. Son unité se mesure en m/(Pa s) ou en l/(hm2 bar). Elle dépend du diamètre et de la densité des pores ainsi que de l’épaisseur de la membrane. La résistance membranaire Rm (m-1) est donnée par Rm =(µ Lp)-1 et, contrairement à la perméabilité hydraulique, dépend du fluide par sa viscosité. 1.2 Classification des procédés membranaires A. Procédés de filtration utilisant la ptm 1.2.1 Microfiltration (MF) Ces membranes sont caractérisées par leur diamètre moyen de pores (dp) compris entre 0,05µm et 5 µm. La ptm se situe entre 0.1 et 3 bar car la résistance de la membrane est relativement faible. La membrane arrête les particules, mais pas les molécules, il n’y donc pas de pression osmotique. La MF peut aussi se pratiquer en filtration frontale pour des fluides peu concentrés. Applications : clarification du vin et des jus de fruits, séparation de cellules, bioréacteur à membranes. Il y a de nombreuses applications en agroalimentaire, en biotechnologie et dans l’industrie mécanique. Fabricants : France : Orélis, Exékia,Tami. Allemagne : Sartorius, Aaflow, USA : Pall, Millipore 1.2.2 Ultrafiltration (UF) Ces membranes ont des pores plus petits que celles de microfiltration : 2nm <dp <50nm avec 1nm = 10-9m. On peut aussi les caractériser par leurs seuils de coupure qui est la masse molaire minimale des molécules rejetées par la membrane et qui se situe entre 2000 et 106 Dalton (Da). La pression transmembranaire moyenne est plus élevée qu’en microfiltration et se situe entre 1 et 8 bar, car les pores sont plus petits et la pression osmotique, qui diminue la ptm effective, est plus élevée. En plus des particules, ces membranes arrêtent les macromolécules, les protéines, et les colloïdes Applications : concentration des protéines du lait pour la fabrication de fromages, récupération des peintures électrophorétiques dans l’industrie automobile. La pression osmotique est faible, car la concentration molaire n’est pas élevée, Les flux de perméat sont élevés. Fabricants All. : Schumacher, Akzo. France : TAMI, Exekia. Hollande : Xflow. Angleterre : PCI. USA : Amicon, Romicon, Koch, Pall, Millipore, Osmonics, Filmtech. Japon : Asahi, Kuraray, Download free eBooks at bookboon.com Procédés de filtration membranaire 8 Introduction 1.2.3 Nanofiltration (NF) Les diamètres moyens de pores de ces membranes se situent entre 0,5 nm et 2 nm, et la ptm entre 5 et 25 bar à cause de la pression osmotique et de la résistance membranaire élevée. Ces membranes arrêtent les moyennes molécules de poids moléculaire <2000 Da, c’est un procédé intermédiaire entre l’osmose inverse (OI) et l’ultrafiltration. Applications : traitement d’effluents, extraction de petites molécules, fractionnement C’est un procédé plus récent que les autres, car ces membranes sont apparues plus tardivement. Les flux sont meilleurs qu’en OI, mais les taux de rejets sont plus faibles 1.2.4 Osmose inverse (OI) dp<0,5 nm ptm : 10-100 bar Ces membranes, appelées denses, arrêtent les petites molécules de poids moléculaire <300 Da, par exemple le sel, le sucre, etc. Applications : dessalement d’eau de mer, fabrication d’eau pure, traitement d’effluents et de lactosérum. Pression osmotique. La pression osmotique Dp est donnée par Dp=CRT où C=concentration molaire, R=8,31 (unités SI), T= température absolue Elle est d’autant plus grande que la concentration molaire est élevée, ce qui est le cas des petites molécules. Par exemple pour l’eau salée à 30 g/L : C=500 mole/m3 et Dp=12,5 bar. Si l’on sépare de l’eau pure à pression p1 et de l’eau salée à pression p2 par une membrane semi perméable, et si p1 = p2 l’eau pure tend à diluer l’eau salée pour uniformiser les concentrations. Il n’y aura pas de transfert si p2= p1 +Dp. L’osmose inverse correspond au cas où p2> p1 +Dp et il y aura un transfert d’eau salée vers l’eau pure. En microfiltration la pression osmotique est négligeable, car C est de l’ordre de 1 mole/m3. En ultrafiltration, C sera de l’ordre de 10 mole/m3 et Dp de 0.1 uploads/Industriel/ procedes-de-filtration-membranaire.pdf

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