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RÉSUMÉ
La purification des gaz détient de nos jours une place importante dans le monde industriel. Parmi les quatre technologies aujourd'hui couramment employées pour purifier les gaz, il faut relever les procédés d’adsorption auxquels appartiennent les procédés modulés en pression PSA, RPSA, VSA, VPSA. Cet article a pour objectif d'apporter des informations permettant d'évaluer les conditions d'emploi de la technologie de purification par PSA. Pour intégrer les éléments nécessaires à la conception d’un système de ce type, il est indispensable de connaître les propriétés d'adsorption des adsorbants, et les étapes élémentaires et la méthodologie de représentation des cycles PSA. Cette approche permet d’aboutir à une évaluation pertinente du nombre d'adsorbeurs à installer.
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Guillaume de SOUZA : Ingénieur ENSTA (École nationale supérieure de techniques avancées – Paris) - Licence et Master en Mécanique de l'Université Pierre et Marie Curie – Paris - Entrepreneur et consultant - Expert en procédés d'adsorption à modulation de pression
INTRODUCTION
La purification des gaz a pris, avec le temps, une place très significative dans le monde industriel puisqu'elle est devenue indispensable pour tout professionnel devant employer au moins un gaz dans son procédé de production ou de transformation. En effet, avec le renforcement des réglementations de protection de l'environnement et l'importance croissante du contrôle des émissions de gaz à effet de serre, les rejets à l'atmosphère doivent être de plus en plus sélectifs et maîtrisés. Nombre d'exemples ont depuis démontré que ces « contraintes » peuvent au contraire être une réelle valeur ajoutée pour l'industriel en raison d'une meilleure gestion de sa matière première représentant souvent une part très significative de ses coûts de production ou de transformation. Bien sûr, investir pour mettre à niveau ses installations n'est pas toujours une décision facile, tant d'un point de vue économique que technique mais, lorsqu'il s'agit d'un nouveau projet, il est souvent possible de développer une solution technique harmonieuse et économiquement viable.
Quatre technologies sont aujourd'hui couramment employées pour purifier les gaz :
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les procédés de distillation, cryogéniques ou pas ;
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les procédés de perméation par membranes ;
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les procédés d'absorption chimique (MEA, DEA, MDEA…) ou d'absorption physique (alcools, glycols…), voire une combinaison des deux selon le solvant choisi ;
-
enfin les procédés d'adsorption auxquels appartiennent les procédés modulés en pression PSA, RPSA, VSA, VPSA, que nous traitons dans ce dossier, et ceux modulés en température TSA.
Ce dossier [J 3 606] « Purification des gaz par le procédé PSA –Fondamentaux et cycles en pression » est la première partie d'une suite normale au dossier « Adsorption – Procédés et applications » [J 2 731] ; il a pour objectif d'apporter au lecteur des informations complémentaires concrètes nécessaires à une bonne compréhension des critères fondamentaux à maîtriser en adsorption ainsi que des contraintes liées à la mise en œuvre de cycles en pression.
Ainsi, après lecture de ce dossier, le lecteur sera à même d'évaluer les conditions d'emploi de la technologie de purification par PSA ainsi que d'intégrer les éléments fondamentaux nécessaires à la conception de cycles PSA via une connaissance :
-
des conditions de faisabilité d'une purification gazeuse par PSA ;
-
des adsorbants, de leurs propriétés d'adsorption et de leur ordonnancement;
-
des étapes élémentaires du cycle PSA, de leur choix et de leur ordonnancement;
-
de la méthodologie de représentation des cycles PSA ;
-
de méthodologies d'évaluation du nombre d'adsorbeurs à installer.
Une illustration de certains de ces fondamentaux est également présentée pour la mise en œuvre d'unités VSA et PSA de purification d'oxygène, d'azote et d'hydrogène.
Le lecteur trouvera une suite logique à ce dossier dans la lecture d'une seconde partie [J 3 607] « Purification des gaz par le procédé PSA –Dimensionnement et perspectives ».
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Description des étapes élémentaires constitutives
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2. Conditions d'emploi
Une fois l'objectif de séparation défini, le choix de l'adsorbant est critique pour déterminer les performances de séparation du procédé PSA. En effet, il ne suffit pas d'avoir choisi un bon adsorbant, il faut aussi qu'il soit aisément regénérable par simple baisse de pression. C'est la règle de base des procédés à modulation de pression qui peuvent être très peu coûteux en énergie du fait de leur très bonne gestion de la pression et de l'absence de besoin en chauffage.
Un autre avantage de ces unités PSA est la quasi-absence de besoin en prétraitement. Il suffit de s'assurer que seule une phase gazeuse atteint les adsorbants, ce qui est en général obtenu par l'emploi éventuel d'un pot séparateur/condenseur en amont de l'unité. Une autre protection consiste à placer, en bas d'adsorbeur, côté alimentation, un ou deux lits d'adsorbants « de garde » qui appartiennent généralement à la famille des alumines ou des gels de silice. Ainsi, il est courant de mettre en œuvre des unités PSA multicouches employant, en superposition, des adsorbants aux propriétés complémentaires, donnant une meilleure efficacité à l'ensemble du procédé.
2.1 Identification des adsorbants associés à la purification demandée
2.1.1 Isothermes et constante de Henry
Pour identifier le ou les adsorbants qui permettent d'assurer la purification demandée, il faut en premier lieu disposer d'une bonne connaissance de base des différentes familles d'adsorbants (alumines, gels de silice, charbons actifs, zéolites… [1] [2] [3] [5] [6] [7] [8] [10]) ; on peut ainsi réduire le nombre de prétendants et donc le temps de caractérisation des propriétés d'interaction gaz/adsorbant. En effet, il faut en général disposer d'au moins deux à trois isothermes d'adsorption pour chacun des gaz mis en contact, à des températures différentes, comprises dans le domaine d'emploi du PSA. Ainsi, si le gaz d'alimentation est fourni à 40 oC, non seulement, il faut avoir mesuré les isothermes d'adsorption de chacun des gaz à 40 oC, mais aussi à une température plus haute (70 oC par exemple) et à une température plus basse (10 oC...
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BIBLIOGRAPHIE
-
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-
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-
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