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Purification des gaz


La purification sous entend l'élimination d'impuretés présentes en faible quantité dans un gaz issu d'un processus de fabrication ou de séparation dont la sélectivité n'est pas totale.
Elle peut faire appel à des techniques:
- d'adsorpion
- de réaction catalytique
- de charge réactives

Désoxygénation

Réaction catalytique

L'oxygène peut réagir avec l'hydrogène sur un catalyseur à base de Palladium.
La réaction peut être menée à basse température mais est fortement exothermique.
De l'eau se forme en quantité sensiblement égale à la quantité d'oxygène éliminé.
Si l'eau est gênante dans l'application du gaz traité, il devra être séché.
Cette technique est facile à appliquer dans la désoxygènation de l'hydrogène. Pour les autres gaz, de l'hydrogène devra être ajouté pour réagir avec l'oxygène.
Cette technique peut être recommandée si la teneur en oxygène est importante (quelques %)

Réaction avec le Cuivre

Le gaz à purifier peut être mis en contact avec une charge de cuivre avec laquelle l'oxygène contenu réagira. Le cuivre sera transformé en oxyde cuivre suivant la réaction suivante:
2 Cu + O2 = 2 CuO
Après épuisement, la charge peut être régénérée par traitement à l'hydrogène:
CuO + H2 = Cu + H2O

Cette technique permet d'atteindre des teneurs en oxygène <1ppm, et peut être recommandée si la teneur en oxygène à éliminer est faible (quelques ppm).

Désulfuration

Par lavage

Les composés soufrés acides tels que l'hydrogène sulfuré (H2S) ou le dioxyde de soufre (SO2) peuvent être retenus par lavage à l'aide d'un liquide basique tel que:
- solution aqueuse de soude
- amine
- lait de chaux ou de carbonate
Cette technique peut être recommandée pour traiter des débits importants de gaz ou des concentrations importantes de composés soufrés à éliminer

Par lit sacrificiel

Les composés soufrés peuvent être éliminés jusqu'à des teneurs de l'ordre de 10ppb par traitement sur un lit d'oxyde de Cuivre (CuO) ou d'oxyde de Zinc (ZnO).
Les réactions suivantes peuvent se produire:
CuO + H2S = CuS + H2O
CuO + COS = CuS + CO2
ZnO + H2S = ZnS + H2O
Après saturation la charge doit être remplacée.

Elimination du monoxyde de carbone

Le gaz de synthèse issu des procédés de reformage ou de craquage peuvent être purifiés par PSA (Pressure Swing Absorption):
Les composants autres que l'hydrogène sont absorbés à haute pression sur du charbon actif et du tamis moléculaire. Ils sont ensuite désorbés par décompression.
Une pureté de 99,999% volume peut être obtenue.

Séchage des gaz

Par adsorbant solide

Cette technique exploite la propriété qu'ont certaines substances solides minérales d'adsorber à leur surface des molécules polaires (eau, ammoniac, oxydes de carbone, ...). Les adsorbants sont choisis parmis les alumines, les zéolithes, les tamis moléculaires, ... et ont la forme de billes ou de batonnets extrudés. Le gaz à traîter percole à travers l'adsorbant disposé en lit. La régénération de l'adsorbant peut être obtenue par simple décompression, ou bien en utilisant un gaz chaud.
Cette technique est largement utilisée entre autres pour le séchage de l'air comprimé sur alumine activée.

Par lavage au glycol

Les glycols ont une grande affinité pour l'eau comme la plupart des alcools, et par leur faible volatilité, ils ne risquent pas d'être entrainés par le gaz à traiter.
Le gaz à sécher est mis en contact intime avec le glycol sec dans une colonne remplie d'un garnissage. Le glycol humide est soutiré par le fond et est régénéré dans une autre colonne chauffée en pied.
Le TEG (triéthylèneglycol) est souvent utilisé pour cette application.

Desacidification

Par lavage à l'eau

Les acides, surtout les acides minéraux (Chlorure d'hydrogène HCl, Bromure d'hydrogène HBr, Fluorure d'hydrogène HF, ...) sont extrêmement solubles dans l'eau. Le lavage à l'eau des gaz chargés de ces acides permet d'atteindre facilement un taux d'épuration très élevé. L'addition d'une base neutralisante dans l'eau de lavage permet d'accroitre l'épuration. Cependant l'eau est assez volatile et le gaz traîté deviendra humide. De plus la solution aqueuse recueillant l'acide sera difficilement régénérable et devra être traîtée comme un effluent.

Par lavage aux amines

Certaines impuretés  moyennement ou  faiblement acides (dioxyde de carbone, hydrogène sulfuré, ...) sont avantageusement absorbées par des amines. Les amines réagissent avec les substances acides et forment des sels peu stables. Ainsi par simple chauffage ils peuvent être dissociés et l'amine peut ainsi être régénérée et recyclée vers le laveur.
Le lavage du gaz peut être complété par un lavage à l'eau pour éliminer les traces d'amine entraînées.
La MEA (monoéthanolamine) ou DEA (diéthanolamine) additionnées d'eau sont souvent utilisées pour cette application.

Elimination des hydrocarbures

Par lavage avec une huile lourde

Des gaz peuvent être débarrassés d'hydrocarbures entraînés par tension de vapeur par mise en contact avec un hydrocarbure liquide. Le liquide de lavage doit être un bon solvant des impuretés à extraire, et présenter une différence de volatilité suffisante pour que la régénération soit facile.
L'huile de lavage peut être régénérée par distillation ou strippage à la vapeur avant d'être recyclée vers l'absorbeur.

Par adsorption sur charbon actif

Le charbon actif se présente sous la forme de granulés de quelques milimètres constituant un lit au travers duquel on fait passer le gaz à traiter.
Le charbon actif est issu de bois ou de coke auquel on a fait subir un traitement thermique particulier afin de créer une grande porosité et lui conférer cette aptitude à capter et retenir des substances présentes en très faibles concentration dans l'eau ou dans l'air.
Lorsqu'ils sont appliqués au traitement de l'air atmosphérique afin d'abaisser la teneur résiduelle d'un polluant à quelques ppm (partie par million), les charbons actifs peuvent en retenir de l'ordre de 10% de leur poids.
Ils sont employés depuis fort longtemps pour la fabrication de cartouches filtrantes de masques à gaz. Après saturation, la cartouche doit être jetée et remplacée.
En application industrielle, le charbon actif saturé est régénéré.
La régénération peut être menée:
- sous vide
- par strippage à la vapeur d'eau
- par strippage par un gaz chaud
Le strippage à la vapeur permet un récupération facile du polluant après condensation de l'eau. Cependant si le polluant est soluble dans l'eau cette méthode risque de créer un effluent aqueux pollué.
Pour récupérer le polluant strippé par un gaz chaud, il suffit de le refroidir à la sortie afin de condenser le polluant. Si sa volatilité est importante, la température à atteindre peut être très basse. Si le gaz doit être refroidi à une température inférieure à 0°C, il peut être necessaire de le sécher afin d'éviter la formation de glace dans le refroidisseur.

Par oxydation catalytique

Les hydrocarbures présents peuvent être convertis en dioxyde de carbone et eau par passage sur un catalyseur à base de Palladium en présence d'oxygène.
Cette technique peut particulièrement s'appliquer à la purification du dioxyde de carbone. Des teneurs de l'ordre de 10ppb peuvent être atteintes.


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