Techniques efficaces de séparation d'air non cryogéniques

L'air atmosphérique sec contient en volume : 78,08 % azote, 20,95 % oxygène, 0,93 % argon + traces autres gaz (Figure 1). L'air peut contenir vapeur d'eau variable (humidité) et gaz processus naturels/activités humaines. Deux technologies principales séparation gaz air : (i) distillation cryogénique, (ii) procédés séparation non cryogéniques. Procédés non cryogéniques : séparation typique un seul composant air atmosphérique.

Figure 1 : Composition de l'air atmosphérique

Principes des procédés non cryogéniques

Procédés séparation air non cryogéniques = séparation à température ambiante, production azote ou oxygène gazeux. Choix rentables quand : demande gaz relativement faible, très haute pureté non requise. Usines non cryogéniques : compactes, produisent azote gazeux 95,5-99,5 % sans oxygène ou oxygène gazeux 90-95,5 % pur.

Usines non cryogéniques : moins efficientes énergétiquement que cryogéniques (pureté comparable) mais coût construction inférieur. Taille physique réduit si pureté requise réduite, puissance nécessaire réduite aussi. Démarrage rapide/facile : mise en service < 30 min. Utile si produit non nécessaire en continu. Comme usines cryogéniques : commencent par compression air.

Différence usines cryogéniques (différence points ébullition N₂/O₂) : usines non cryogéniques utilisent différences propriétés physiques (structure moléculaire, taille, masse) pour produire N₂/O₂. Basés sur : adsorption sélective ou perméation membranes.

Technologies courantes séparation air non cryogénique

1. Technologie adsorption (procédés adsorption)
2. Technologies procédés chimiques
3. Technologie séparation membranaire
4. Technologie membrane transport ionique (ITM)

Technologie adsorption (Adsorption process technology)

Basée sur capacité matériaux naturels/synthétiques à adsorber préférentiellement azote ou oxygène. Production N₂ ou O₂ par passage air comprimé (plusieurs atmosphères) dans vaisseau contenant matériaux adsorbants. Adsorbants choisis selon caractéristiques adsorption. Matériaux adsorbants spéciaux = tamis moléculaire, adsorbant préférentiellement espèces gazeuses cibles. Adsorbant désirable : affinité bien plus grande molécules non-produit que gaz produit (N₂ ou O₂). Résultat : plupart molécules gaz produit traversent lit → flux produit, autres composants air capturés adsorbant.

Usines production O₂ adsorption : zéolites tamis moléculaires adsorption N₂, CO₂, vapeur eau résiduelle, autres gaz. Pression livraison O₂ sortie usine : 1-3 atm. Pureté O₂ typique : 93-95 %, limitée principalement teneur argon (4,5-5 %).

Usines production N₂ adsorption : charbon actif tamis moléculaire élimine O₂ + composants indésirables par adsorption. Alternative : unité « de-oxo » ajoutée → combinaison catalytique H₂ + O₂ produit N₂ sortant adsorption → eau. Eau éliminée refroidissement + adsorption additionnelle. N₂ livré unité production : 6-8 atm, pureté 95-99,5 %. Pureté plus élevée → taille équipement et ratio air alimentation/produit augmentent. Flux rebut usine N₂ enrichi O₂ (~40 % O₂), parfois utilisé amélioration combustion ou exploitation équipements traitement déchets usine.

Zéolites : champs électriques non uniformes espaces vides matériau → adsorption préférentielle molécules plus polarisables (moments quadripolaires électrostatiques plus élevés). Séparation air : molécules N₂ plus fortement adsorbées que O₂ ou Ar. Air passé lit zéolitique → N₂ retenu, flux riche O₂ sort lit. Zéolites sélectives N₂.

Charbons tamis moléculaires : tailles pores même ordre grandeur taille molécules air. Molécules O₂ légèrement plus petites N₂ → diffusent plus vite cavités adsorbant. Charbons tamis moléculaires sélectifs O₂.

Procédé adsorption = processus batch (lit adsorbant nécessite désorption périodique). Usines basées cette technologie : au moins deux vaisseaux adsorbants pour continuité opérationnelle. À tout moment : un vaisseau produit (adsorption composants indésirables air), autre régénération (dépressurisation pression atmosphérique). Approche saturation vaisseau adsorbant → jeu vannes commute flux vers autre vaisseau. Vaisseau tampon (surge vessel) aval absorbants → livraison gaz produit continue. Système deux vaisseaux le plus courant, mais configurations mono-vaisseau ou trois vaisseaux parfois utilisées. Mono-vaisseau : économie investissement. Trois vaisseaux : continuité production accrue. Figure 2 : flowsheet séparation air technologie adsorption.

Figure 2 : Procédé séparation air basé technologie adsorption

Air sous pression entre vaisseau lit adsorbant. N₂/O₂ adsorbés → flux effluent riche O₂/N₂ jusqu'à saturation lit N₂/O₂. À ce point : air alimentation commuté vers vaisseau frais, régénération lit premier vaisseau commence. Régénération : chauffage lit adsorbant ou réduction pression lit (réduit capacité équilibre rétention N₂/O₂ adsorbant).

Ajout chaleur = TSA (Temperature Swing Adsorption). Réduction pression = PSA (Pressure Swing Adsorption) ou VSA (Vacuum Swing Adsorption). Usines séparation air utilisant vide = VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption), VSA ou PVSA (Pressure Vacuum Swing Adsorption). Production O₂. Cycle similaire PSA sauf pompes vide pour réduire pression désorption. Pression désorption plus basse → pression entrée plus basse. Temps cycle plus court + opération simplifiée → choix privilégié séparation air.

Usine VPSA produit O₂ ~0,2 atm (jauge). Pression livraison O₂ plus élevée requise → compresseur booster O₂ ajouté. Globalement : VPSA plus coûteuses mais plus efficientes énergétiquement que PSA (même débit, pression, pureté produit).

VPSA régénèrent tamis sous vide → tamis moléculaire plus complètement régénéré → plus sélectif que régénération PSA. Pourcentage O₂ disponible récupéré plus élevé → moins air à traiter. Puissance compresseur air fortement réduite vs PSA (débit air plus bas + pression refoulement compresseur < 0,5 atm jauge). Contrepartie : puissance pompe vide.

VPSA plus rentables PSA quand production désirée > 20 t/j. Choix production O₂ le plus rentable jusqu'à 60 t/j (si haute pureté O₂ non requise). > 60 t/j : usines cryogéniques technologie choix, bien que deux VPSA permettent meilleure adaptation grands changements paliers demande.

Variations affectant efficacité opérationnelle : pré-traitement séparé air (élimination eau/CO₂), vaisseaux multiples (récupération énergie pression commutation lits), opération vide pendant dépressurisation. Optimisation basée : débit produit, pureté, pression, coût énergie, durée vie attendue. Nature cyclique adsorption → taille lit adsorbant = facteur contrôlant coût investissement. Production ∝ volume lit → coûts investissement augmentent plus vite fonction taux production vs usines cryogéniques.

Technologies procédés chimiques (Chemical process technologies)

Matériaux capables d'absorber O₂ à un ensemble conditions pression/température, désorber O₂ à autres conditions. Procédé étudié début années 1990 : MOLTOXe, procédé chimique sel fondu. Figure 3 : procédé chimique séparation air.

Figure 3 : Procédé chimique séparation air

Variante montrée : absorption O₂ par flux sel fondu circulant, suivie désorption par combinaison chaleur + réduction pression flux sel. Air comprimé 1,4-12,5 atm → traité élimination eau/CO₂ système base adsorbant. Eau/CO₂ dégradent sel si non éliminés stade. Air traverse lit adsorbant jusqu'à saturation. Lits commutés, lit saturé régénéré par N₂ sec processus. Air sec propre chauffé contre flux produits retour 480-650 °C échangeurs principaux. Air chaud → bas absorbant contact sel liquide fondu. O₂ air réagit chimiquement sel → éliminé avec sel liquide sortant bas absorbant. Sel porteur O₂ échange chaleur sel sans O₂ + chauffé → réduction pression → désorbant. O₂ gazeux sort sommet désorbant, sel pauvre O₂ sorti bas désorbant, échange chaleur → sommet absorbant fermeture boucle.

Flux O₂ chaud + N₂ chaud → échangeur principal → refroidis contre air alimentation. O₂ comprimé pression livraison, portion N₂ régénère système pré-traitement air. Avantage principal système base TSA : air comprimé seulement pression surmontant pertes charge pré-traitement + échangeur → réduction puissance compression air vs usine cryogénique. Source énergie thermique nécessaire libération sel chauffage. Unité pilote petite échelle opérée → vérification conditions (pureté O₂ 99,9 % charge sel attendue), mais corrosion zones diphasiques sel/O₂ = problème économique.

Technologie séparation membranaire (Membrane separation technology)

Basée sur vitesses différentes diffusion gaz air à travers membrane polymère. Procédés membranes polymères : différence taux diffusion O₂/N₂ à travers membrane séparant flux processus haute/basse pression. Utilise faisceaux tubes polymères spéciaux, souvent configurés type échangeur chaleur tubulaire. Principe : gaz différents → taux perméation différents film polymère. Figure 4 : procédé polymère séparation air.

Figure 4 : Procédé polymère séparation air

Flux et sélectivité = deux propriétés déterminant économie systèmes membranes, fonctions matériau membrane spécifique. Flux détermine surface membrane, fonction différence pression / épaisseur membrane. Constante proportionnalité variant type membrane = perméabilité. Sélectivité = rapport perméabilités gaz à séparer. Taille molécule O₂ plus petite → plupart matériaux membranes plus perméables O₂ que N₂.

Principe : gaz différents → taux perméation différents film polymère. O₂ + vapeur eau + CO₂ = « gaz rapides » diffusant plus vite parois tubes que « gaz lents » Ar et N₂. Air sec → produit mélange inerte majoritairement N₂ + Ar, « perméat » ou gaz rebut basse pression riche O₂, vapeur eau, CO₂ évacué enveloppe.

Air atmosphérique : filtré, comprimé pression requise, séché → module membrane. Composants air taux diffusion élevé (O₂, CO₂) pénètrent fibres polymère plus vite → flux riche N₂ produit principal. Pureté flux N₂ dépend débit module, atteignant 93-99,5 %+ si opéré efficacement.

Produit N₂ sort unités membrane pression proche air comprimé alimentation. Pas pièces mobiles séparation → activation rapide quand nécessaire, arrêt quand non utilisées.

Usines membrane : modules taille standard, productions N₂ nominales selon pureté N₂ désirée. Module standard donné : production N₂ augmente débit air entrée plus élevé, mais pureté N₂ diminue. Capacité production nécessaire (pureté spécifiée) > plus grand module standard → plusieurs unités plus petites combinées collecteur (manifold) → fonctionnement parallèle.

Usines membrane rentables applications demande relativement faible. Usines grande capacité = modules multiples capacité plus petite → coût unitaire capacité production quasi constant large gamme taux production. Contraste : coût marginal décroissant typique usines PSA N₂ et cryogéniques N₂.

Si produit désiré = O₂ : systèmes membrane limités production air enrichi O₂ (25-50 % O₂). Membranes transport actif/facilité (agent complexant O₂ augmentant sélectivité O₂) = moyen potentiel augmenter pureté O₂ systèmes membrane (si matériaux membranes compatibles O₂ disponibles).

O₂ perméate fibre (type fibre creuse) ou feuilles (type spire enroulée) → retiré produit. Pompe vide maintient typiquement différence pression membrane + livre O₂ pression requise. CO₂ + eau apparaissent normalement produit air enrichi O₂ (plus perméables O₂ plupart matériaux membranes).

Avantage majeur séparation membranaire : processus simple, continu, conditions ambiantes. Soufflante air fournit charge pression suffisante surmonter pertes charge filtres, tubes membrane, tuyauterie. Matériaux membranes assemblés modules cylindriques → collecteurs pour capacité production nécessaire.

Comme systèmes adsorption : investissement essentiellement fonction linéaire taux production. Secours produit typiquement non disponible sans réservoir stockage O₂ liquide séparé + système distribution support. Systèmes membrane adaptés applications ≤ 20 t/j (purités enrichissement air avec contaminants eau/CO₂ tolérables). Technologie plus récente adsorption/cryogénie → améliorations matériaux pourraient rendre membranes attractives besoins O₂ quelque peu plus grands. Démarrage rapide (opération conditions ambiantes) : surtout attractif systèmes usage O₂ patterns discontinus. Nature passive processus : attrayante.

Usines membrane rentables applications demande relativement faible. Usines grande capacité = modules multiples capacité plus petite → coût unitaire capacité production quasi constant large gamme taux production.

Technologie membrane transport ionique (ITM - Ion Transport Membrane)

ITM = matériaux céramiques oxydes inorganiques solides produisant O₂ par passage ions O₂ à travers structure cristalline céramique. Fonctionnent hautes températures, généralement > 600 °C. Molécules O₂ converties ions O₂ surface membrane → transportées à travers membrane par tension électrique appliquée ou différence pression partielle O₂ → reforment molécules O₂ après passage matériau. Matériaux membranes : feuilles plates ou tubes. Figure 5 : schéma simple procédé séparation air membrane transport ionique.

Figure 5 : Procédé séparation air membrane transport ionique

Grands procédés conversion énergie : différence pression force motrice transport = méthode choix. Membranes opérant par différence pression = membranes conductrices mixtes (conduisent ions O₂ + électrons). Ions O₂ traversent ITM débits très élevés → O₂ quasi pur côté perméat membrane. O₂ séparé produit pur, ou autre gaz utilisé balayage côté perméat → produit pureté inférieure. Gaz balayage réactif → produit oxydatif direct, ex. gaz naturel méthane balayage → gaz synthèse conversion GTL (gas-to-liquid).

Air comprimé → chauffé température opération échange contre flux processus chauds (non-perméat + produit O₂) + appoint chaleur auxiliaire. Généralement : chauffage air échange indirect et/ou combustion directe carburant. Flux O₂ comprimé pression livraison. Flux non-perméat enrichi N₂ sous pression utilisé ailleurs bilan conversion énergie, ex. détente cycle turbine gaz intégrée → électricité.

Procédé O₂ ITM adapté intégration génération énergie + procédés conversion énergie nécessitant O₂ matière première combustion/gazéification, ou toute application base O₂ avec besoin énergie.