ANR ” Contacteur membranaire innovant pour la cristallisation : Application aux systèmes de type diffusion/réaction “

ANR ICARE

Partners
LAGEP

Abstract
Crystallization/Precipitation is one of the major unit operations of chemicals process industries to produce, purify or separate solid compounds or products. Until now, the process reference, i.e. the stirred tank reactor, stays the current crystallization process. But the need for breakthrough technologies has been highlighted by numerous authors and reports. Amongst the commonly reported technologies, membranes are one of the most promising to ensure an intensified continuous process, easy to scale-up but also to grant a fine control of the hydrodynamic and the mass/heat transfers. However, the use of microporous membranes, mainly reported in the literature, have major issues which are pores blocking by crystals, pores wetting by liquid phase and fouling, i.e. the deposit of solid compound in/on the membrane. Whatever the issue, it causes a decrease of the mass/heat transfer through the membrane inducing a decline of the process performances which are reversible or not.
To avoid pores blocking and pores wetting, the use of dense or composites membranes appear as a promising alternative. The dense membrane or the dense skin of the composite membrane has to be as finer as possible and the polymer material has to highly permeable to limit the membrane mass transfer resistance. Nevertheless, fouling stays the main issue and is currently reported on reverse osmosis membranes. In fact, intramembrane crystallization and surface deposits have been observed, depending on the type of system, but no quantitative interpretation is available. Hence, the choice of the polymer material, to a membrane processes, only considers its lower resistance to mass/heat transfer, which stays one of the most important parameter, or its hydrophobicity.
Thus, the ICARE project intends to investigate the local phenomena in order to understand and explain how, why, where and when the crystallization takes place in/on the polymer material. By the quantitative prediction of crystallization location, the aim of the ICARE project is to develop a rational knowledge of the interactions between crystals properties, operating conditions and membrane materials characteristics in order to rethink the choice of the polymer material in crystallization/precipitation membrane processes.
By choosing better the polymer material, the robustness and the life expectancy of the process membrane will be greatly improved.
But more generally, the understanding of the interactions between fluid conditions, crystals properties and membrane characteristics which constitute a breakthrough approach, could also be employed in different other application domains. Hence, in the Energy area, the choice of the polymer material used (heat exchanger or pressured retarded osmosis) reflected the same phenomenology. The same questioning could also be applied to the Water area, on the membrane used in reverse osmosis or ion exchange where fouling is almost systematically encountered. Regarding the Health fields, the benefit is completely different. Indeed, due to the comprehension of the interactions, new system of drug controlled delivery could be considered such as to inject insulin or drugs against cancer or long pain…
The potentialities will be almost unlimited. The last but not the least area which could benefit from the project is the Materials fields. By understanding how, why, where and when the solid formation takes place, in or on a polymer materials, it is possible to plan to do specific materials with the selected properties.
ANR ICARE

Partenaire
LAGEP

Résumé
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 travails 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 intra-membranaire, 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).

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