On regroupe souvent sous le terme PSA (de l’anglais
Pressure Swing Adsorption) un ensemble de techniques de séparation de
gaz toutes basées sur l’adsorption
physique à la surface d'un solide. On distingue:
- PSA dans laquelle l'adsorption est mené à haute pression, et la régénération à la pression atmosphérique
- VSA ou VPSA dans laquelle l'adsorption est menée à plus faible pression et la régénération est menée sous vide
Les adsorbants employés sont fonction des composants à séparer; ce peut être:
- de l'alumine activée
- des charbons actifs tamis moléculaires
- des zéolithes tamis moléculaires
Principe du PSA
Le
PSA est basé sur l’adsorption
physique à la surface d'un solide dans laquelle les composés très
volatils et peu
polaires tel que l’Hélium ou l’Hydrogène ne sont pratiquement pas
adsorbés tandis que des molécules telles que CO (monoxyde de carbone)
CH4 (méthane) ou hydrocarbures plus lourds le sont plus fortement.
Cette technologie est
largement utilisée pour la production d’oxygène ou d’azote par
séparation de l’air, la purification de méthane provenant de biogaz, d’hydrogène provenant de gaz de
synthèse ou de réactions de déshydrogénation.
Isothermes d'adsorption
La plupart des systèmes PSA utilisent les différences de capacité d'adsorption des différents composants. Les isothermes
d’adsorption donnent la relation entre la pression partielle d’un
composé et sa concentration sur l’adsorbant à température constante.
Les isothermes d’adsorption sont déterminés expérimentalement mais
peuvent être représentés par l’équation empirique proposée par
Freundlich en 1894 :
Charge de l’adsorbant = k.P
1/nk et n sont des paramètres fonction de la température ainsi de la nature du gaz et de l’adsorbant.
Cinétique d'adsorption
Certains
systèmes PSA exploitent la différence de vitesse d'adsorption des
molécules de constituants du mélange. C'est particulièrement le cas des
équipements destinés à la séparation de l'azote et l'oxygène de l'air
sur charbon actif tamis moléculaire.
La
molécule d'azote étant légèrement plus volumineuse que celle d'oxygène,
elle aura plus de difficulté à pénétrer dans les pores de l'adsorbant.
Bien que les capacités d'adsorption à l'équilibre soient semblables,
l'azote mettra plus de temps que l'oxygène pour atteindre cet
équilibre. En flux continu cela se traduira par une adsorption
supérieure de l'oxygène comparé à l'azote et une séparation possible.
Conditions opératoires
Le procédé PSA travaille entre deux niveaux de pression:
• L’
Adsorption
des impuretés est réalisée à haute pression (typiquement de 10 à 40
bars pour un PSA ou pression atmosphérique pour un VPSA) conduisant à une concentration élevée sur le matériau adsorbant
• La
Désorption
ou régénération est réalisée à basse pression (typiquement légèrement
au dessus de la pression atmosphèrique pour un PSA ou sous vide pour un VPSA) pour réduire la concentration
en impureté sur l’adsorbant.
Plus la pression de désorption sera basse, plus grande
sera la pureté du gaz traîté.
Plus grande sera la différence de
pression entre l’adsorption et la désorption plus grand sera le taux de
récupération de gaz purifié.
Le procédé fonctionne à température ambiante.
Il n'est pas nécessaire de chauffer l’adsorbant pour effectuer la
régénération. L’adsorption étant légèrement exothermique et la
désorption légèrement endothermique, le gaz purifié quitte l’adsorbant
à une température légèrement supérieure à celle d’entrée, tandis que le
gaz de purge quitte le procédé à une température légèrement inférieure.
Les adsorbants
En fonctionnement continu, les
impuretés retenues pendant la phase d’adsorption doivent être libérées
pendant la phase de régénération. Pour cela les forces de liaisons
entre composé et adsorbant doivent être suffisamment fortes pour
favoriser l’adsorption à haute pression, mais suffisamment faibles pour permettre la
désorption à basse pression.
Pour permettre un fonctionnement stable de
l’unité dans le temps, les unités de PSA utilisent habituellement des
couches de différents adsorbants avec pour les couches les plus proches de l'entrée du gaz,
un adsorbant présentant les liaisons les plus faibles pour retenir les
composés les plus lourds, et pour les couches les plus éloignées de l'entrée du gaz, un
adsorbant présentant les liaisons les plus fortes pour retenir les plus
légers.
Comparaison entre TSA et PSA
La
régénération de l’adsorbant peut aussi être réalisée en augmentant sa
température. Un tel procédé est appelé TSA (de l’anglais Temperature
Swing Adsorption). La désorption est alors limitée par la vitesse de
transfert thermique vers le matériau adsorbant. Les cycles sont plus
lents que pour un PSA. Le TSA sera réservé à l’élimination de composés
fortement adsorbés (pour lesquels la régénération par dépressurisation
est peu efficace) et en faible concentration (pouvant accepter des
cycles long).
Cycles d’adsorption et de régénération
Un
PSA est généralement conçu pour le traitement en continu d’un flux
gazeux. Il apparait de l’extérieur comme un procédé continu bien que de
l’intérieur il s’agit d’un procédé discontinu constitué de séquences
opérant en parallèle.
En général, chaque adsorbeur effectue un cycle
répété uniformément. Chaque cycle comporte deux phases fondamentales :
Adsorption et Régénération
La régénération elle-même est une suite d’opérations :
- Dépressurisation : transition de la haute vers la basse pression
- Purge à basse pression
- Pressurisation : transition de la basse vers la haute pression
Adsorption
Le
gaz à traiter entre dans l’absorbeur sous haute pression, généralement
par le bas. Les impuretés sont absorbées.Le gaz purifié quitte
l’absorbeur par le haut et rejoint un collecteur. Sa pression est
quasiment identique à celle du gaz alimentant l’adsorbeur. La perte de
charge au travers du lit est très faible.Au cours cycle d’adsorption la
pureté du gaz sortant est d’abord constante, puis des traces de
certaines impuretés commencent à apparaitre. C’est le signe que
l’adsorbant est saturé et qu’il doit être régénéré. Le gaz à traiter
est alors orienté vers un autre adsorbeur disponible venant d’être
régénéré.
Dépressurisation à co-courant
Afin
de récupérer le gaz sous pression piégé dans les interstices de
l’absorbant, celui-ci est premièrement dépressurisé dans la même
direction que l’adsorption. Le gaz est réutilisé pour purger ou
re-pressuriser les autres adsorbeurs
Dépressurisation à contre courant
L’adsorbeur
est enfin dépressurisé vers le réseau de gaz de purge, entrainant avec
lui une partie des impuretés adsorbées
Purge
L’adsorbant
est ensuite balayé à basse pression par un courant de gaz très pur
provenant de d’un autre adsorbeur en phase de
dépressurisation.
Pressurisation
A la
fin de son cycle de régénération l’adsorbeur est préparé pour à nouveau
être en position d’adsorption.Il est pressurisé d’abord par du gaz
provenant d’un ballon en dépressurisation puis par du gaz purifié
provenant du ballon en adsorption.
Le
processus d’adsorption avec alimentation continue du gaz à traiter est
réalisé au travers un certain nombre de ballons remplis d’adsorbant
(couramment de 4 à 12), reliés entre eux par des tuyauteries équipées
de vannes. Pendant le fonctionnement au moins un ballon est en service
à haute pression traitant le gaz à épurer, tandis que les autres sont
en phase de régénération.
Un automate assure le séquencement des
opérations et la permutation de l’adsorbeur en service pour maintenir
la qualité du produit fini. Il doit assurer qu’avant que l’absorbeur en
service ne soit saturé, un autre soit prêt à prendre le relais.
Le gaz de purge
Le
gaz de purge est variable en débit et en composition. Selon l’usage
auquel il est destiné, sa composition et sa pression doivent être
homogénéisés. Pour cela on le fait couramment transiter par un ballon
tampon de large volume.
Effet des conditions opératoires sur les performances du PSA
La
capacité d’une unité PSA est mesurée comme la quantité de gaz qui peut
être purifiée dans des conditions opératoires données. Le taux de
récupération est le pourcentage de gaz purifié récupéré par rapport au
gaz traité. Ci-après les principaux paramètres affectant la capacité et
le taux de récupération :
Effet du nombre de ballons adsorbeur
Les
unités de purification de gaz par PSA peuvent être dimensionnées avec
un nombre variable de ballons adsorbeur, pouvant aller de 2 à16 et plus. En règle générale plus le
nombre de ballons en service est important, plus grand sera le taux de
récupération du gaz épuré. L'addition de ballons supplémentaires permet
de davantage fractionner les phases de dépressurisation avant la purge
des impuretés, d'accroître le recyclage du gaz de dépressurisation et
réduire la quantité de purge.
A l'inverse, la mise hors service d'un
ou plusieurs ballons adsorbeur pour un besoin de maintenance n'empêche
généralement pas l'installation de fonctionner, mais le taux de
récupération du gaz purifié sera dégradé.
Effet de la pression d’adsorption
La
quantité d’impureté que peut retenir l’adsorbant s’accroit avec la
pression. Donc la capacité de traitement de l’unité s’accroit également
avec la pression. Le taux de récupération s’accroit également avec la
pression, mais de façon modérée.
A
pression plus faible la capacité d’adsorption diminue. En
conséquence les temps de cycle seront raccourcis et le taux de
récupération réduit.
A pression trop faible l’adsorbant des couches
supérieures (dédiés aux composés légers) peut être saturé par des
composés lourds non adsorbés par les couches inférieures. L’adsorbant
peut devenir non régénérable.
Effet de pression de désorption
Puisque
l‘adsorbant est régénéré en abaissant la pression, plus basse sera la
pression meilleure sera la régénération. Pour une pression de
désorption supérieure, la concentration résiduelle en impureté sur
l’adsorbant sera plus élevée et la capacité d’adsorption lors du cycle
suivant sera réduite. La capacité de l’unité sera donc réduite pour une
pression de désorption supérieure et augmentée pour une pression de
désorption plus basse.
Ceci est illustré sur le diagramme ci-contre:
La capacité en travail est très supérieure avec une faible pression de
désorption qu’avec une pression de désorption élevée.
Plus la
capacité d’un cycle de travail sera faible, plus fréquente seront les
régénérations, et plus grande sera la part de gaz purgé. Le taux de
récupération de gaz purifié sera plus faible.
Une unité de PSA
doit toujours être opérée à une pression de purge aussi basse que
possible. L’effet de la pression de régénération sera aussi importante
sur la capacité que sur le taux de récupération.
Effet de la température
La
capacité de l’adsorbant décroit quand la température augmente, mais la
régénération est plus efficace à température plus élevée. Cependant
l’allure de isothermes d’adsorption (figure ci-contre) montre que la
capacité en travail est plus faible à température plus élevée. La
température optimale de l’opération est entre 20 et 40°C
Effet de la composition du gaz
D’une manière générale, une concentration élevée en impureté dans le gaz de charge réduit la capacité de l’unité.
D’autre
part, si en raison d’une composition non prévue lors de la définition
de l’unité, un composé lourd parvient à une couche supérieure prévue
pour les composés légers, ce composé sera parfaitement et durablement
adsorbé mais peu désorbé. Il désactivera durablement cette couche
d’adsorbant.
Les impuretés sont grossièrement divisées en deux groupes :
GROUPE 1: CO, N2, C1, C2, O2, He
Ces
impuretés ne peuvent pas conduire à une saturation irréversible de
l’adsorbant. Si l’unité est opérée avec une concentration excessive en
ces composés, cela ne conduira qu’à une pollution du gaz traité. Cette
pollution sera détectée par un analyseur approprié et les conditions
opératoire pourront être adaptées (réduction du débit d’alimentation ou
réduction des temps de cycle). L’adsorbant retrouvera ses performances
lorsque la composition du gaz entrant retrouvera sa composition normale.
GROUPE 2: Tous les composes non listés dans le groupe 1 et en particulier: CO2, C3, C4+, H2O(vapeur)
Ces impuretés peuvent conduire à une saturation irréversible de l’adsorbant dans les situations suivantes :
a) Ces impuretés n’étaient pas censées être présentes et il n’y a pas de couche adaptée présente
b)
Ces composants sont en concentration trop forte dans le gaz
d’alimentation ou la quantité de gaz traité est trop importante. La
capacité de la couche dédiée est dépassée et les couches supérieures
durablement affectées. Cela ne conduira pas nécessairement à une
pollution immmédiate du gaz purifié qui pourrait être détectée par un
analyseur. L’effet pourra être perçu beaucoup plus tard.
Une surcharge de l’unité de PSA par des impuretés de groupe 2 doit être évitée à tous prix.
Les liquides ne doivent jamais pénétrer dans un PSA car ils désactivent l’adsorbant dans tous les cas
Effet de la pureté du gaz traité
La capacité de l’adsorbeur est toujours plus faible si l’objectif de pureté du gaz purifié est supérieur.
Effet du débit de gaz à traiter
La capacité des ballons est choisie pour un fonctionnement optimum dans une plage de débit.
Les
temps de cycle d’adsorption sont ajustés pour optimiser le taux de
récupération tout en maintenant la qualité requise pour le gaz épuré
pour tous débits dans cette plage.
Un fonctionnement à plus faible débit conduira à un taux de récupération plus faible.
Un fonctionnement à plus fort débit conduira à une pureté plus faible et peut-être à une dégradation mécanique de l’adsorbant.
Effet de la température du gaz
A
température plus élevée la capacité d’adsorption diminue. En
conséquence les temps de cycle seront raccourcis et le taux de
récupération réduit.
Principales applications
Séchage de gaz
Type d'adsorbant | Alumine activée ou zéolithe tamis moléculaire (ZMS) |
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Comportement des composants | L'eau est adsorbée |
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Pressions opératoires | Système PSA adsoption à 5 - 10 bars et désorption à pression atmosphérique |
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Pureté attendue | moins de 180ppm d'eau |
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Production d'azote
Type d'adsorbant | Charbon tamis moléculaire |
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Comportement des composants | O2 adsorbé CO2 et eau adsorbés |
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Pressions opératoires | Système PSA adsoption à 5 - 10 bars et désorption à pression atmosphérique |
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Pureté attendue | Max: 99,999% de pureté |
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Consommation d'énergie | 0,24kw/Nm3 |
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Production d'oxygène
Type d'adsorbant | zéolithe tamis moléculaire (ZMS) |
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Comportement des composants | N2 adsorbé |
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Pressions opératoires | Système PSA: adsoption à 5 - 10 bars et désorption à pression atmosphérique Système VSA: adsoption à pression atmosphérique et désorption sous vide |
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Pureté attendue | Max: 95% de pureté |
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Consommation d'énergie | 0,34kw/Nm3 |
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Production d'hydrogène
Type d'adsorbant | Charbon actif, charbon tamis moléculaire, zéolithe tamis moléculaire (ZMS) |
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Comportement des composants | L'hydrogène n'est pas adsorbé, les autres impuretés sont adsorbéessur des couches dédiées |
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Pressions opératoires | Système PSA adsoption à 5 bars et plus et désorption à pression atmosphérique |
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Pureté attendue | Max: 99,999% de pureté |
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Production de CO, CO2
Type d'adsorbant | zéolithe tamis moléculaire (ZMS), charbon tamis moléculaire, |
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Comportement des composants | CO ou CO2 sont adsorbés |
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Pressions opératoires | Système VSA: adsoption à pression atmosphérique et désorption sous vide |
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Pureté attendue | Max: 99% de pureté |
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Production d'Argon
Type d'adsorbant | zéolithe tamis moléculaire (ZMS),
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Comportement des composants | L'Argon n'est pas adsorbé |
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Pressions opératoires | Système VSA: adsoption à pression atmosphérique et désorption sous vide |
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Pureté attendue | Max: 99,9% de pureté |
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Production de Méthane
Type d'adsorbant | charbon tamis moléculaire, |
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Comportement des composants | Le méthane n'est pas adsorbé |
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Pressions opératoires | Système PSA ou VSA: adsoption à 2 - 10 bars ou pression atmosphérique et désorption sous vide |
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Pureté attendue | Max: 99% de pureté |
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