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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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Représentations pratiques des cycles PSA
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4. Choix et ordre des étapes constitutives d'un cycle
Un adsorbeur, ayant été régénéré et recomprimé, est prêt à recommencer un cycle PSA par une phase d'adsorption à la pression haute du cycle. Celle-ci sera préférentiellement alimentée par le gaz à traiter le moins riche en gaz à adsorber. Ainsi, en présence de plusieurs charges différentes, des étapes d'adsorption successives peuvent être mises en œuvre avec éventuellement intégration d'une étape de récupération pour améliorer les performances de l'unité. D'une façon générale, on peut souligner que les fronts (d'adsorption) de plus forte concentration ont tendance à se déplacer plus vite au sein de l'adsorbeur que les fronts de plus faible concentration, ce qui permet parfois une optimisation du volume d'adsorption installé par le rattrapage du front de plus faible concentration par un front de plus forte concentration. Ainsi, la zone de saturation est avantageusement de concentration « constante » et maximale en amont de la zone de transfert de masse à la fin des étapes d'adsorption.
À la fin de cette phase d'adsorption, où le niveau haut de saturation est atteint (SatH), on prévoit généralement une phase de décompression à cocourant permettant d'éviter de perdre le produit le moins adsorbable présent dans les volumes morts de l'adsorbeur et de poursuivre l'augmentation en concentration des gaz adsorbables, au sein de l'adsorbeur, par une prolongation de la propagation du (ou des) front(s) d'adsorption (figure 29).
Notons que, généralement, le nombre d'étapes élémentaires constitutives de cette décompression est d'autant plus élevé que le ratio de pression du cycle PSA (P ADS /P REG) est plus élevé. Ainsi, les PSA hydrogène, pouvant être d'une grande complexité, comprennent jusqu'à quatre équilibrages en pression pour accéder au meilleur rendement d'extraction possible, suivis (ou pas) d'une étape d'équilibrage élution réalisable en même temps qu'un équilibrage. Une fois atteinte la pression intermédiaire (P int) d'inversion des écoulements au sein de l'adsorbeur, on peut alors :
-
initier une phase de rinçage lorsque l'on souhaite produire un gaz adsorbé de forte concentration ;
-
ou bien lancer directement une phase de décompression à contre-courant pour initier la régénération de l'adsorbant par évacuation des...
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BIBLIOGRAPHIE
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