Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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Gas purification is currently of significant importance in the industrial world. Of the four technologies which are currently used in order to purify gases, is the adsorption processes which belong the PSA, RPSA, VSA and VPSA processes. The aim of this article is to provide information allowing for the assessment of the conditions of use of the PSA purification technology. In order to integrate the necessary elements to the design of such a system, it is essential to have a sound knowledge of the adsorption properties of adsorbents as well as of the elementary stages and the methodology of the representation of PSA cycles. This approach allows for achieving an accurate assessment of the number of adsorbents to be installed.
Auteur(s)
-
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 :
-
les procédés de distillation, cryogéniques ou pas ;
-
les procédés de perméation par membranes ;
-
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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Conditions d'emploi
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1. Champ d'application
Un PSA (Pressure Swing Adsorption ), ou procédé d'adsorption modulé en pression, peut être schématiquement comparé à un filtre à gaz, parfaitement réversible, laissant passer certaines molécules et en arrêtant d'autres qui restent piégées dans la structure poreuse de l'adsorbant.
Le principe de base du PSA est de jouer sur la capacité des adsorbants d'adsorber plus d'impuretés à haute pression qu'à basse pression. Ainsi, en enchaînant ces phases d'adsorption et de désorption, de la pression haute à la pression basse du cycle (figure 1), on peut effectuer une séparation sélective de molécules de gaz et, en particulier, réaliser une purification. De plus, avec des unités d'adsorption fonctionnant en séquence, on peut purifier en continu le gaz à traiter.
Chacune de ces technologies a ses applications propres du fait de ses caractéristiques techniques et de sa capacité à obtenir la séparation souhaitée avec les niveaux de pureté, de rendement et/ou de pression voulus, au coût et au niveau de fiabilité optimal.
Ainsi, les procédés d'adsorption, dans leurs diverses formes selon la méthodologie choisie pour la régénération des adsorbants (PSA = en variation de pression, RPSA = rapide et en variation de Pression, VSA = sous vide, VPSA = sous vide et en variation de pression, TSA = en variation de température), ont régulièrement gagné en importance depuis les années 1960 pour devenir irremplaçables lorsqu'il s'agit, par exemple :
-
d'éliminer dans une phase gazeuse les composés organiques volatils (COV), les molécules odorantes ou encore les dioxines et les furannes (cf. dossier [G 1 770]) ;
-
de sécher un gaz (dont l'air), et/ou d'arrêter certains constituants en traces (CO2 , HC... à quelques dizaines de ppm volume) pour atteindre des teneurs volumiques inférieures à 1 ppm volume avant une unité de séparation cryogénique...
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BIBLIOGRAPHIE
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