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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 ;
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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 :
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des conditions de faisabilité d'une purification gazeuse par PSA ;
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des adsorbants, de leurs propriétés d'adsorption et de leur ordonnancement;
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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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Proposition de dénomination de cycles
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6. Détermination du nombre total d'adsorbeurs
Le choix du cycle d'adsorption à mettre en œuvre dépend fortement de l'environnement géographique, industriel et économique dans lequel il doit s'intégrer (éloignement/accessibilité, pressions d'intégration, débit et composition du gaz à purifier et à produire, prix des aciers au carbone et de l'énergie…) et des objectifs économiques du client vis-à-vis du ratio entre coût d'investissement initial et coûts opératoires futurs (quel est son besoin en taux de récupération, en fiabilité, en souplesse d'emploi – marche minimale à 30 % ou à 50 % du débit nominal…).
Ainsi, d'une façon générale, comme dans nombre d'autres applications en génie des procédés, plus il faut minimiser les coûts opératoires et plus il faut investir au départ.
Pour un PSA, VSA ou VPSA, cet investissement dépend d'autant plus du nombre et du volume des adsorbeurs à installer que les débits à traiter sont importants et, inversement, il dépend d'autant plus de la complexité du schéma de vannes et de tuyauteries associé que les débits à traiter sont faibles. De fait, dans le cas où les volumes unitaires des adsorbeurs à installer sont importants pour assurer la phase d'adsorption, l'homme de l'art a tendance à multiplier leur nombre, compliquant ainsi le schéma de vannes et les tuyauteries et, inversement, a tendance à minimiser le nombre d'adsorbeurs dans le cas contraire. De même, il a tendance à augmenter le nombre d'équilibrages en pression pour réduire les coûts opératoires, ce qui augmente d'autant le nombre d'adsorbeurs à installer. Ainsi, le nombre total d'adsorbeurs installés résulte de l'addition du nombre d'adsorbeurs en adsorption, en régénération et en phase de décompression/repressurisation, en relation avec le nombre d'équilibrages en pression choisi.
6.1 Choix du nombre d'adsorbeurs en adsorption/régénération
Le choix du nombre d'adsorbeurs en adsorption est un des éléments résultant d'une optimisation globale de l'investissement du PSA, VSA ou VPSA. Il est en particulier lié à plusieurs facteurs, tels que le volume maximal d'adsorbant autorisé pour un adsorbeur, les limitations relatives aux phénomènes d'attrition ainsi que le temps de phase du cycle considéré. En effet, puisque le volume unitaire d'adsorbant, V ads (m 3), est fonction des pressions de fonctionnement du cycle, de la composition...
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BIBLIOGRAPHIE
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