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Nov 07, 2023

Des faits à portée de main : Gaz physique

1 mai 2022 | Par Scott Jenkins, magazine de génie chimique

1 mai 2022 | Par Scott Jenkins, magazine de génie chimique

Les gaz industriels sont essentiels pour un large éventail d'applications dans les industries de procédés chimiques (CPI). Beaucoup de ces gaz doivent être séparés des autres, comme l'azote de l'air ou l'hydrogène du gaz naturel à l'aide de techniques physiques de séparation des gaz qui incluent la séparation par membrane, les procédés catalytiques et d'adsorption, la distillation cryogénique et d'autres technologies. Quelques méthodes courantes sont décrites ici.

La séparation membranaire utilise des membranes à fibres creuses pour séparer l'azote de l'oxygène (Figure 1). La technologie des membranes est couramment utilisée lorsque les exigences de pureté ne sont pas strictes. Dans le système de membrane, plusieurs milliers de fibres creuses sont placées dans un boîtier et de l'air comprimé est fourni à une extrémité. La paroi de la fibre est perméable aux gaz, mais le taux de diffusion à travers la paroi de la fibre varie selon le type de gaz. Pour l'air, l'oxygène, le dioxyde de carbone, l'argon et d'autres contaminants traces traversent le mur à un rythme plus rapide que l'azote et sont évacués. L'azote sort du système membranaire avec une pureté typique supérieure à 95 %. Les utilisateurs peuvent ajuster le débit à travers le système pour faire varier la pureté obtenue par un système à membrane. L'avantage d'un système à membrane est qu'il n'y a pas de pièces mobiles, mais la pureté de la sortie peut varier avec le débit.

FIGURE 1. Les méthodes de séparation par membrane sont utilisées dans des applications où les exigences de pureté ne sont pas particulièrement strictes

L'adsorption modulée en pression (PSA) et l'adsorption modulée en pression sous vide (VPSA) sont utilisées dans les situations nécessitant une plus grande pureté. Lorsque la séparation des impuretés au niveau élevé de parties par million (ppm) est requise, par opposition à la séparation des impuretés au niveau du pourcentage, le PSA est une option (Figure 2). Les systèmes PSA sont généralement utilisés comme pré-purification des gaz entrant dans un procédé cryogénique et pour la purification de l'hydrogène. La technologie VPSA est utilisée pour la production sur site de verre flotté et d'oxygène de qualité médicale.

FIGURE 2. L'adsorption modulée en pression est une option lorsque la séparation des impuretés doit atteindre le niveau élevé de parties par million

Les systèmes PSA se composent de paires de navires fonctionnant en parallèle, ou ils peuvent être conçus dans des configurations avec plusieurs navires en série. Chaque récipient est rempli de supports d'adsorption, tels que des tamis moléculaires au carbone, des zéolithes et du charbon de bois. Le gaz d'alimentation à purifier passe à travers un ou plusieurs récipients fonctionnant à des pressions généralement supérieures à 100 psig. Les impuretés dans le flux de gaz d'alimentation sont physiquement adsorbées (physisorption) sur la surface du support par les forces de Van der Waals (liaisons faibles créées par des interactions électrostatiques à courte portée entre les dipôles moléculaires). Les systèmes PSA fonctionnent en tirant parti d'un comportement d'adsorption différent à différentes pressions et températures. Les sites d'adsorption sont occupés par des molécules d'impuretés, tandis que le gaz souhaité traverse le média. La capacité pour chaque impureté varie en fonction de la sélection du support, souvent déterminée par la taille des pores. Lorsque les molécules d'impuretés traversent les vaisseaux PSA, le milieu nécessite une régénération pour éliminer les impuretés adsorbées. Dans un système PSA, la cuve est isolée et le gaz est rapidement évacué à la pression atmosphérique, ce qui libère les impuretés piégées. Le récipient est ensuite repressurisé et est prêt pour plus de gaz d'alimentation. Cette régénération peut être achevée en un temps de cycle de quelques minutes à quelques heures. Pour la séparation de l'azote ou de l'oxygène de l'air, le cycle est généralement court.

Lorsqu'une pureté de gaz de faible niveau PPM est requise, la distillation cryogénique est généralement utilisée. Les procédés cryogéniques sont basés sur la séparation physique des gaz par rapport à leurs points d'ébullition. De nombreux gaz peuvent être séparés cryogéniquement, mais la séparation de l'air est décrite ici. L'air comprimé est refroidi puis passé à travers un lit de tamis moléculaire pour éliminer l'humidité, les hydrocarbures et le dioxyde de carbone avant d'entrer dans la colonne de distillation. Le gaz entrant dans la colonne est refroidi à des températures cryogéniques contre les gaz sortants. Pour maintenir l'équilibre de réfrigération nécessaire pour soutenir le processus, une turbine de détente est souvent utilisée. L'air monte dans la colonne à travers une série de plateaux contre le liquide de reflux qui tombe en cascade dans la colonne. La séparation des gaz se produit en raison des différentes températures d'ébullition. L'azote à une pureté de 99,999 % ou plus peut être fourni directement sous forme de vapeur ou liquéfié pour une distribution cryogénique. Les impuretés dans l'azote comprennent généralement le monoxyde de carbone et l'hydrogène, qui ont un point d'ébullition similaire ou inférieur.

1. Warrick, B. et Spohn, D., Considérations pour la purification des gaz industriels, Chem. Eng., août 2019, p. 42–46.

2. Keller, T. et Shahani, G., Technologie PSA : Au-delà de la purification de l'hydrogène, Chem. Eng., janvier 2016, p. 50–53.