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
L'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.
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.
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