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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 :
-
les procédés de distillation, cryogéniques ou pas ;
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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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Détermination du nombre total d'adsorbeurs
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5. Représentations pratiques des cycles PSA
Les PSA les plus efficaces ou ceux traitant d'importants débits comportent un nombre élevé d'adsorbeurs interagissant les uns avec les autres et fonctionnant de manière cyclique. Afin de suivre le principe de leur fonctionnement, il est nécessaire de disposer d'une représentation graphique adaptée. Plusieurs systèmes existent, plus ou moins sophistiqués. Un des plus utilisé consiste à représenter un cycle en pression au cours du temps et de le découper en autant de « tranches » de durées égales qu'il y a d'adsorbeurs afin de visualiser les échanges entre eux. Un autre consiste à représenter un cycle sous forme d'un tableau comportant autant de lignes qu'il y a d'adsorbeurs et autant de cellules par ligne qu'il y a d'étapes par cycle (en général, pas plus de trois cellules par colonne)..
5.1 Représentation graphique d'un cycle PSA
Considérons en premier lieu un cycle PSA 613 de complexité intermédiaire employé en particulier en purification d'hydrogène et constitué de six adsorbeurs (figure ). La figure 30 représente un cycle PSA découpé en tranches de 1/6 de la durée totale du cycle et correspondant à chacun des six adsorbeurs se relayant l'un après l'autre dans chacune de ces six phases ; l'axe des abscisses étant représentatif du temps et l'axe des ordonnées de la pression de fonctionnement.
Ainsi, en particulier, il est représenté ici l'un des six cas de marche :
-
l'adsorbeur 1 (R-01) en phase d'adsorption (A) ;
-
l'adsorbeur 2 (R-02) en phase de compression à contre-courant par le premier équilibrage en pression (E1R) suivi d'une compression finale à contre-courant (FR↓) par emploi d'une partie de l'hydrogène produit ;
-
l'adsorbeur 3 (R-03) en phase de compression à contre-courant par les 3e et 2e équilibrages en pression (E3R et E2R) avec une pause intermédiaire (I) ;
-
l'adsorbeur 4 (R-04) en phase de décompression finale à contre-courant (BD) suivi d'une élution (P) ;
-
l'adsorbeur 5 (R-05) en phase de décompression à cocourant par le 3e...
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BIBLIOGRAPHIE
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