Production d'azote par PSA
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Production d'azote par PSA

L'azote est largement utilisé dans les industries de procédé pour l'inertage de capacités manipulant des liquides ou de vapeurs inflammables, ou bien lorsque la présence d'oxygène peut nuire à la qualité ou la bonne conservation des productions.

L'azote est traditionellement produit par distillation cryogènique de l'air.  Ceci est généralement réalisé dans des installations centralisées et l'azote est distribué aux utilisateurs sous forme liquide à basse température ou gazeuse sous pression, en citernes ou par pipelines.

C'est dans les années 1980 que des méthodes alternatives à la cryogénie sont apparues pour produire de l'azote, par séparation des constituants de l'air, sur les sites d'utilisations.
Ces nouvelles techniques sont essentiellement l'adsorption (PSA pour Pressure Swing Adsorption) et la séparation sur membranes.

Description du schéma

Schéma de principe d'un PSA séparant l'azote de l'airL'air comprimé à une pression de 5 à 10 bars, passe tout d'abord au travers d'une combinaison de filtres et séparateurs pour éliminer l'huile et l'eau éventuellement entrainés. Il est ensuite conduit vers un des deux adsorbeurs qui sont remplis de charbon tamis moléculaire.
Le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau résiduelle présente sont rapidement adsorbés par les premières couches d'adsorbant. A la pression de travail, l'adsorbant retient préférentiellement l'oxygène tandis que l'azote peut traverser le lit.
Pendant qu'un ballon adsorbeur produit de l'azote sous pression, l'autre est dépressurisé pour désorber l'oxygène accumulé, qui est rejeté à l'atmosphère. Le flux contenant l'oxygène extrait est encore riche en azote. La quantité d'azote rejeté avec l'oxygène détermine le taux de récupération de l'azote.
L'enchainement automatique des cycles d'adsorption et désorption permet de produire un flux continu d'azote à pression constante vers un réseau utilisateur.

La pureté de l'azote produit dépend d'un compromis entre:

  • le volume des ballons adsorbeurs
  • le débit d'azote requis
  • le taux de récupération de l'azote de l'air
Elle peut être typiquement de 95% à mieux que 99,99%.

Le coût de l'azote produit sera fonction de la pureté désirée. Une pureté élevée nécessitera un taux de récupération faible alors que les coûts liés à la compression de l'air restent les mêmes.

Mécanisme d'adsorption

L'adsorbant utilisé pour la séparation de l'azote de l'air est du charbon tamis moléculaire: CMS pour Carbon Molecular Sieve.
Le diamètre des pores est centré sur 0,3 - 0,4 nm, très différent des charbons actifs classiques centrés sur 1 - 5 nm.
La séparation de l'azote et de l'oxygène utilise la différence de vitesse d'adsorption existant entre les deux molécules. Graphe représentant la vitesse relative d'adsorptionLa 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.
Les vitesses d'adsorption varient avec la taille effective des pores de l'adsorbant; Avec des pores plus larges, la vitesse d'adsorption augmente, mais généralement la vitesse relative d'adsorption de l'oxygène et l'azote diminue, réduisant la capacité de séparation.
De même, la présence d'humidité diminue la vitesse relative d'adsorpion de l'azote et l'oxygène. Il est donc recommandé de déshumidifier l'air avant de le traiter sur le PSA.

Sources

Development of PSA Gas Separation Technology to Reduce Greenhouse Effect - sumitomo-chem.co.jp.
Producing Nitrogen via  Pressure Swing Adsorption - CEP June 2012

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