DS10 - Défi des autres savoirs

Contacteur membranaire innovant pour la cristallisation: Applications aux systèmes de type diffusion / réaction – ICARE

ICARE

Contacteur membranaire innovant pour la cristallisation : Applications aux systèmes de type diffusion/réaction.

Enjeux & Objectifs du projet

L’objectif d’ICARE est d’explorer le potentiel des membranes polymères denses perméables pour la cristallisation à travers une analyse systématique des phénomènes intervenants. Les défis scientifiques et les questions clés qui seront abordés dans le cadre du programme de travail mis en place peuvent être résumés de la façon suivante : <br />1. Identification de l'ensemble des conditions et des propriétés des matériaux qui conduisent à la cristallisation sur/dans la membrane ou dans la solution pour le système modèle BaCO3. <br />2. Est-il possible de prédire quantitativement le comportement de cristallisation dans une matrice polymère dense par un modèle couplé de transmission de masse de diffusion/cinétique de cristallisation ? <br />3. La dynamique moléculaire et la modélisation continue de transfert de masse moyenne offrent-elles des prédictions cohérentes pour un système de cristallisation membranaire dense (un défi d'approche multi-échelle typique) ? <br />4. Quelle est l'efficacité de prévision des modèles de génie chimique (bilans, transfert de masse, hydrodynamique et cinétique de la concentration) lorsqu'il est appliqué à un module de cristallisation de fibres creuses en polymère dense ? Par exemple, est-il possible de prédire avec précision l'influence du flux de fluide sur la productivité du procédé de cristallisation et la qualité du cristal (DTC) ? <br />5. Comment la technologie de référence (réacteur parfaitement agité) et le concept de cristallisoir à fibres creuses à membrane dense se comparent-ils en termes de productivité (facteur d'intensification) et de qualité solide ? <br />6. Quelle est la stabilité à long terme des performances du cristallisoir à fibres creuses à membrane dense (dépôt de surface, effets d'adhérence en cristal menant à une salissure progressive) ?

WP1 : Analyses des phénomènes locaux afin de comprendre où, quand, comment et pourquoi la cristallisation se déroule dans ou sur la membrane. Les expériences seront menées à l’échelle laboratoire, en mode statique, sur différents matériaux polymères. Ceux-ci sont sélectionnés afin d’étudier l’influence des propriétés du matériau (état physique du polymère, résistance mécanique, perméabilité), des propriétés de surfaces (tension de surface, rugosité) ainsi que l’épaisseur et l’humidité sur l’emplacement de la cristallisation d’un composé modèle (BaCO3).

WP2 : Un modèle associant l’approche des résistances en série et la réaction chimique conduisant à la formation du solide sera développé. Le but est de simuler le front de dissolution/précipitation dans le module membranaire. Différentes approches seront investiguées, d’une approche simple à une approche plus complexe. La robustesse du modèle sera évaluée par comparaison des résultats simulées avec des résultats expérimentaux.
Par ailleurs, dans le cadre d’une collaboration, un modèle moléculaire sera mis en place afin de décrire les mécanismes de la formation des cristaux (à la surface ou dans la membrane). L’objectif est ici de mieux comprendre les mécanismes ayant lieu entre les cristaux et la membrane conduisant au colmatage.

WP3 : Les performances du procédé seront étudiées, ici en dynamique, à travers l’étude des conditions de fonctionnement (vitesse de fluide, concentration, température) et des conditions géométriques (taux de remplissage). Enfin, des mesures, sur des cycles courts mais également sur des cycles longs, seront effectuées afin d’étudier la durée de vie du contacteur membranaire. Une comparaison avec le procédé de référence, le réacteur parfaitement agité, sera effectuée. Une technique de mesure non invasive sera investiguée pour étudier le front de cristallisation in situ.

Les résultats ont été obtenus dans le cadre du WP1. Différents matériaux ont été étudiés afin d’en balayer les principales propriétés : hydrophobicité, perméabilité, nature du polymère. Par ailleurs, l’influence de l’épaisseur de la membrane ainsi que l’influence de l’humidité de la membrane ont également été étudiées. Deux systèmes (Liquide-Liquide et Gaz-Liquide) ont été investigués.
Les résultats obtenus dans cette tâche ont clairement mis en évidence le rôle clé joué par la perméabilité du matériau sur l’emplacement de la cristallisation et ont permis de sélectionner deux matériaux polymères.

La tâche 1 est achevée et a permis la sélection de deux matériaux qui seront ensuite investigués lors de la tâche 3.
Des contacteurs membranaires de fibres creuses sont actuellement en cours de réalisation et seront investigués dans la tâche 3.
La tâche 2 est également débuté et les modèles sont mis en place.

Publications : en cours
Brevets : non prévu à ce jour

La cristallisation/précipitation est l’une des opérations majeures des procédés chimiques industriels pour produire, purifier ou séparer les composés solides ou les produits. Jusqu’à présent, le réacteur agité est le procédé de référence pour les applications industrielles mais il y a une forte demande pour le développement de technologies de rupture, mis en évidence par de nombreux auteurs et rapports. Ainsi, les procédés membranaires sont considérés comme l’une des technologies les plus prometteuses parce qu’ils peuvent éventuellement permettre de développer un procédé intensifié, continu, facile à extrapoler avec un contrôle local fin de l’hydrodynamique et du transfert de matière/chaleur. Plusieurs tentatives de développement de nouveaux procédés de cristallisation basés sur l’utilisation de membranes microporeuses ont montrés des limites importantes à cause du colmatage des pores et de la surface de la membrane par des cristaux, ce qui induit une diminution des performances rendant ainsi cette stratégie de cristallisation largement hypothétique.
Le colmatage de la membrane et le blocage des pores pourraient éventuellement être évitées par l’utilisation de matériaux denses (c’est-à-dire non poreux) et des modules de fibres creuses, tout en gardant un procédé continu, facile à extrapoler, intensifié, ainsi que le contrôle local qui sont des avantages clés des procédés membranaires. Cette stratégie reste toutefois inexplorée jusqu’à présent et aborde un enjeu scientifique majeur : prévoir les mécanismes de cristallisation et sa localisation dans/sur un matériau polymère dense fonctionnant en continu.
ICARE se propose de relever ce défi scientifique grâce à un ensemble de 3 modules de travaux combinant des études et des techniques d’imagerie sur différents systèmes de cristallisation utilisant des membranes denses, le transfert de matière, des expériences de cristallisation en cellule batch (WP1), la modélisation et la simulation du procédé de cristallisation (WP2), ainsi que la preuve de la faisabilité technologique à l’échelle laboratoire sur des modules fibres creuses du matériau dense le plus prometteur (WP3). Le carbonate de baryum est sélectionné comme composé modèle afin d’évaluer précisément la possibilité de prédire la cristallisation en fonction des propriétés de transfert de matières du polymère dense, la concentration des réactifs et les conditions opératoires. Plus particulièrement, une comparaison des mécanismes de la cristallisation entre une alimentation en CO2 gazeux ou dissous à travers un film polymère dense sera effectuée afin de tester la robustesse de l’approche numérique développée et de la simulation (WP2). Une sous-tâche (WP2.2), réalisée grâce à une collaboration internationale, sera consacrée à la modélisation moléculaire des phénomènes de cristallisation dans/sur un polymère dense. Une comparaison entre les performances prédites (WP2.2) et l’approche pour le milieu continu (WP2.1) sera réalisée.
ICARE a pour but d’effectuer une étude exploratoire des systèmes diffusifs/réactifs dans des polymères denses, incluant la cristallisation. L’objectif ultime est de développer, en 4 ans, une connaissance fondamentale de base sur les processus de cristallisation dans/sur le polymère dense, grâce à une approche pluridisciplinaire (génie chimique, science des matériaux, modélisation moléculaire), expérimentale et numérique. Les principaux résultats sont attendus en termes de développements scientifiques et de procédés industriels de cristallisation. En outre, la possibilité de sélectionner le système et les conditions opératoires, menant à une cristallisation sur la surface de la membrane ou intramembranaire, offre des potentialités en science des matériaux (production de matériaux hybrides grâce à la cristallisation in situ), procédés de séparation (colmatage des membranes d’osmose inverse ou des résines échangeuses d’ions) ou dans l’industrie pharmaceutique (production de systèmes de libération contrôlée).

Coordinateur du projet

Madame Elodie CHABANON (Laboratoire d'Automatique et de Génie des Procédés)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LAGEP - UCBL Laboratoire d'Automatique et de Génie des Procédés

Aide de l'ANR 277 820 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2016 - 48 Mois

Liens utiles

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter