Usine d'azote PSA
Les principaux facteurs de développement de la technologie de production d'oxygène par adsorption sur solvant (PSA) sont les suivants : une technologie de vannes programmables haute performance, une technologie d'adsorbant enrichi en oxygène haute performance et une technologie de procédé. Actuellement, ces technologies sont bien maîtrisées. L'utilisation de tamis moléculaires allemands importés, de vannes à commande programmable importées et d'un procédé développé localement permet de produire facilement un milieu enrichi en oxygène.
L'équipement de production d'oxygène par PSA utilise un adsorbant spécifique pour enrichir l'air en oxygène à température ambiante grâce à la technologie d'adsorption modulée en pression (PSA). La PSA est une technologie avancée de séparation des gaz. Elle repose sur l'utilisation de tamis moléculaires pour réaliser l'adsorption sous pression, la désorption par relâchement de pression et un cycle d'opérations. Le gaz produit contient généralement de l'oxygène, de l'argon et une faible quantité d'azote. L'adsorbant est l'élément central de l'équipement de production d'oxygène par PSA. Cet équipement utilise des molécules 5A importées.
L'écran ou l'adsorbant développé en interne absorbe l'azote, le dioxyde de carbone, l'eau, etc. présents dans l'air, mais pas l'oxygène. Figure :
Nom du produit : Équipement de production d'oxygène par adsorption à pression variable
Catégorie : Appareil d’adsorption par variation de pression
Rendement (Nm3/h) : 50, 80, 100, 120, 150
Pureté de l'oxygène du produit : 90 % à 95 %
Pression d'exportation de l'oxygène produit : 0,4 à 0,5 MPa
Consommation électrique : ≤ 0,35 kWh/m³ O₂
Caractéristiques des équipements de production d'oxygène par adsorption modulée en pression :
Le tamis moléculaire offre des performances avancées, une consommation réduite et une longue durée de vie.
Le rendement en oxygène de ce produit est supérieur à celui des autres produits.
Comparé à des produits similaires, cet équipement présente les caractéristiques suivantes : production d’azote par unité, faible consommation d’énergie et faible consommation d’eau de refroidissement.
L'ensemble des équipements est hautement automatisé.
Principes de base de la production d'oxygène par adsorption modulée en pression :
Le principe de base de la production d'oxygène par adsorption modulée en pression (PSA) consiste à séparer l'oxygène et l'azote en exploitant la différence d'adsorption de ces deux éléments sur un tamis moléculaire zéolithique (ZMS) sous différentes pressions. En fonction de la pression de désorption, on distingue généralement les différentes pressions de séparation par adsorption.
En divisant l'adsorption d'oxygène en deux procédés distincts, les utilisateurs peuvent choisir le procédé le plus adapté à leurs besoins, afin de minimiser la consommation d'énergie. La consommation énergétique unitaire de l'équipement PSA atteint 0,4 à 0,5 kWh, soit l'équivalent de celle d'un système de traitement d'air froid à basse pression.
Elle est compétitive en termes d'investissement dans les équipements et de coûts d'exploitation.
1. Production d'oxygène par désorption à pression atmosphérique (PSA)
L'air comprimé, débarrassé des impuretés solides telles que l'huile et la poussière, ainsi que de la majeure partie de l'eau gazeuse grâce à un système de prétraitement, pénètre dans une tour d'adsorption remplie d'un tamis moléculaire de fluorite (ZMS). L'azote, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau présents dans l'air sont absorbés par l'adsorbant, et l'oxygène est séparé à travers le lit d'adsorption. Lorsque les impuretés adsorbées dans la tour atteignent un certain seuil, l'adsorbant est désorbé dans l'atmosphère pour régénérer ce dernier. Sous le contrôle d'un automate programmable (PLC) ou d'un système de contrôle-commande distribué (DCS), le système de séparation par adsorption, composé de deux ou trois tours, assure la production continue d'oxygène, appelée production d'oxygène par adsorption à pression variable avec désorption atmosphérique (PSA-O).
2. Production d'oxygène par adsorption à pression modulée et désorption sous vide (VSA-O)
L'air brut, après passage dans le ventilateur, est purifié et débarrassé des poussières avant d'être introduit dans la tour d'adsorption équipée d'un tamis moléculaire de zéolite (ZMS). L'azote, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau présents dans l'air sont absorbés par l'adsorbant, et l'oxygène est séparé à travers le lit d'adsorbant. Lorsque la quantité d'impuretés absorbées dans la tour d'adsorption atteint un certain seuil, une première étape d'adsorption-désorption est réalisée, suivie d'une régénération complète de l'adsorbant par pompage sous vide. Piloté par un automate programmable (PLC) ou un système de contrôle-commande distribué (DCS), le système de séparation par adsorption, composé de deux ou trois tours, assure une production continue d'oxygène : c'est le procédé de production d'oxygène par adsorption à pression variable et désorption sous vide (VPSA-O).
Caractéristiques des équipements d'adsorption par variation de pression
L'adsorption modulée en pression (PSA) est une technologie de séparation des gaz avancée, qui occupe une place irremplaçable dans le secteur de l'approvisionnement en gaz actuel. Principales caractéristiques des équipements de production d'oxygène par adsorption modulée en pression
Cet appareil présente les avantages suivants : un processus simple, une structure compacte et un faible investissement en équipement.
Cet appareil occupe peu d'espace au sol et peut être utilisé aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur.
L'appareil est hautement automatisé et son ouverture et son arrêt sont très simples.
Le coût d'exploitation et de maintenance de l'appareil est inférieur à celui de la méthode de refroidissement profond.
L'appareil présente une forte autonomie, une bonne stabilité, une grande fiabilité, fonctionne à température normale et à basse pression, et offre de bonnes performances en matière de sécurité.
Le débit de l'appareil peut aller de 0,2 à 5500 Nm3/h, et la pureté de l'oxygène produit peut atteindre de 25 à 95 %.
Pression de sortie de l'appareil : L'équipement de désorption à pression atmosphérique (0,3-0,55 MPa) et l'équipement de désorption sous vide (15 kPa) peuvent être utilisés avec une configuration de pressurisation étendue.
Composition de base d'un équipement de production d'oxygène par adsorption modulée en pression
compresseur d'air ou ventilateur à matière première
Système de prétraitement de la source de gaz (comprenant l'élimination de l'huile, des poussières et de l'eau, ainsi qu'un équipement de refroidissement).
tour d'adsorption (contenant un dessiccant et un tamis moléculaire)
tour tampon d'oxygène pour l'air brut et le produit fini
Vanne de commutation et conduite de distribution de gaz
Pompe à vide (pour le processus de désorption sous vide)
dispositif de remplissage et de surpression d'oxygène
système de contrôle automatique des équipements et système de détection de pureté
Système de régulation de la pureté et de distribution de gaz (Configurations sélectionnées en fonction des différents procédés et exigences)
Conditions d'installation et de fonctionnement d'un équipement de production d'oxygène par adsorption modulée en pression
Conditions d'installation : Le site d'installation doit être propre, lisse et facilement accessible pour l'installation de la grue ou du chariot élévateur.
Exigences relatives à l'environnement d'utilisation : L'air autour du site d'installation doit être propre, exempt de brouillards d'huile et de gaz corrosifs, et la ventilation doit être adéquate.
Conditions de fonctionnement : Alimentation électrique : 380 V/50 Hz/triphasé à cinq lignes
Eau de refroidissement : L'invention concerne le refroidissement et la congélation de l'eau à usage industriel.
Considérations relatives au choix d'un équipement de production d'oxygène par adsorption à pression variable
Avant de procéder au choix du type précis, les exigences relatives au gaz produit final par l'équipement d'oxygène requis sont d'abord confirmées, et le processus de l'équipement requis est déterminé selon les recommandations du fabricant.
Examiner la rationalité de la conception des équipements (chaque ensemble de raccords est raisonnable, nécessaire et fonctionne avec une efficacité maximale)
Vérification de la fiabilité du fonctionnement des équipements
Capacités de recherche et développement, expérience de fabrication et niveau des fabricants
Le coût des équipements de production d'oxygène (prix de l'équipement, eau nécessaire, électricité, site et ses frais, coût d'entretien de l'équipement, durée de vie de l'équipement) est calculé de manière globale, et non pas seulement en tenant compte du prix de l'équipement.
Application
Production d'acier au four électrique, fusion des métaux non ferreux et fusion du fer par enrichissement en oxygène
Production de gaz engrais chimiques, diverses oxydations, gazéification du charbon, génération d'ozone
Four à combustion et à percement de toit pour four de chauffage industriel
Évaporisation de l'oxygène, blanchiment et oxydation à la liqueur noire dans l'industrie papetière
Traitement des eaux usées industrielles et urbaines par boues activées aérées à l'oxygène
Décomposition du naphta et production de noir de carbone
élevage de poissons à haute densité
Fabrication de ciment fer-oxygène, de briques réfractaires et transformation du verre dans l'industrie du ciment
Distribution d'oxygène en milieu hospitalier et oxygène pour soins de santé, chambre à oxygène haute pression et bar à oxygène
Méthode de séparation membranaire :
La séparation de l'oxygène et de l'azote dans l'air est appelée méthode de séparation membranaire, utilisant la sélectivité de perméabilité d'un film polymère. L'appareil de production d'oxygène ou d'azote par cette méthode présente certaines limitations en termes de capacité et de pureté, et est généralement principalement utilisé pour produire de l'azote d'une pureté inférieure à 800 Nm3/h et inférieure à 99,5 %.
Principe de fonctionnement des équipements de séparation membranaire pour la production d'azote
Cela fait plus d'un siècle que le processus de transfert de masse des gaz à travers les membranes a été calculé. De nombreuses recherches ont été menées sur le transport de gaz isolés dans les polymères et les membranes. Cependant, l'application pratique des membranes est relativement récente. L'exemple le plus marquant est la séparation des isotopes de l'uranium dans les armes nucléaires. Ce n'est qu'à la fin des années 1970 que la perméabilité et la sélectivité des gaz dans les membranes polymères ont atteint un niveau économique industriel suffisant pour permettre leur utilisation à grande échelle, telle qu'on la connaît aujourd'hui.
La membrane à fibres creuses est un assemblage de filaments de fibres creuses polymérisés à partir de milliers de polymères. Lorsque deux gaz ou plus sont mélangés à travers le film polymère, leur vitesse de pénétration varie en raison des différences de solubilité et de coefficient de diffusion de chaque gaz dans la membrane. Selon cette caractéristique, on distingue les gaz à diffusion rapide et les gaz à diffusion lente.
La perméation des gaz à travers une membrane polymère creuse est un processus complexe. Son mécanisme repose sur l'adsorption des molécules de gaz à la surface de la membrane, leur dissolution, leur diffusion à l'intérieur de celle-ci, puis leur désorption de l'autre côté. La technologie de séparation membranaire exploite la différence des coefficients de dissolution et de diffusion des différents gaz au sein de la membrane pour réaliser leur séparation. Lorsqu'un mélange gazeux est soumis à une force motrice (différence de pression ou rapport de pression de part et d'autre de la membrane), les gaz à perméabilité rapide, tels que la vapeur d'eau, l'oxygène, l'hydrogène, l'hélium, le sulfure d'hydrogène et le dioxyde de carbone, sont extraits du côté perméant, tandis que les gaz à perméabilité lente, tels que l'azote, l'argon, le méthane et le monoxyde de carbone, sont retenus du côté réceptif et concentrés, permettant ainsi la séparation du mélange gazeux.
En raison des limitations de l'efficacité de séparation du matériau sélectionné par le séparateur à membrane, le composant industriel du séparateur utilisé pour séparer l'azote de l'air est davantage constitué d'une membrane à fibres creuses. Ce composant, grâce à la grande surface spécifique de séparation des fibres creuses, répond mieux aux exigences de séparation des clients. De manière générale, afin d'obtenir de meilleurs indicateurs économiques et d'atteindre les objectifs de faible investissement et de faible consommation unitaire, la production d'azote par membrane adopte un procédé à haute pression.
Production d'azote par membrane à flux haute pression
L'air comprimé, débarrassé des impuretés solides telles que l'huile, la poussière et la majeure partie de l'eau gazeuse grâce au système de prétraitement, pénètre ensuite dans le séparateur à membrane après préchauffage. Les gaz à perméabilité relativement rapide, comme la vapeur d'eau, l'oxygène, l'hydrogène, l'hélium, le sulfure d'hydrogène et le dioxyde de carbone, traversent la membrane et sont extraits du côté perméateur. En revanche, les gaz à perméabilité relativement lente, comme l'azote, l'argon, le méthane et le monoxyde de carbone, sont retenus du côté récepteur et concentrés. Piloté par un automate programmable (PLC) ou un système de contrôle-commande distribué (DCS), le système assure une production d'azote continue et stable. Ce procédé de séparation oxygène-azote est appelé production d'azote par membrane à flux haute pression (MKH-N).
Caractéristiques principales des équipements de production d'azote par membrane :
Cet appareil présente les avantages suivants : processus simple, structure compacte et faible investissement en équipement.
L'appareil est de petite taille et peut être utilisé aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur.
L'appareil est hautement automatisé et facile à mettre en marche et à arrêter. Pureté en 10 minutes
Cette invention ne comporte aucune pièce mobile, comme un système de commutation de vannes, ne nécessite pas le remplacement régulier de pièces fragiles et requiert peu d'entretien.
En augmentant le séparateur à membrane, il est facile d'accroître la production d'azote.
Le coût d'exploitation et de maintenance de l'appareil est inférieur à celui de la PSA. Dans la plage de pureté de 80 à 98 %, l'invention présente un excellent rapport performance/prix. Elle offre un avantage incomparable par rapport aux autres méthodes de séparation de l'air et sa consommation d'énergie est faible.
L'appareil présente une forte autonomie, une bonne stabilité, une grande fiabilité, fonctionne à température ambiante et à basse pression, et offre de bonnes performances en matière de sécurité.
Le débit de l'appareil peut varier de 0,2 à 50 000 Nm³/h, et la pureté de l'azote produit peut atteindre 80 à 99,9 %.
Principaux composants d'un équipement de production d'azote par membrane à flux haute pression
Compresseur d'air
ensemble de prétraitement de la source d'air
Réservoir tampon d'air
Séparateur à membrane
Réservoir tampon d'azote fini
Vanne de commutation et tube correspondant
Système de contrôle et de détection automatique
Système de pressurisation à configuration de décompression évolutive
Conditions d'installation et de fonctionnement de l'équipement de production d'azote par membrane
Conditions d'installation : Le site d'installation doit être propre, lisse et facilement accessible pour l'installation de la grue ou du chariot élévateur.
Exigences relatives à l'environnement d'utilisation : L'air autour du site d'installation doit être propre, exempt de brouillards d'huile et de gaz corrosifs, et la ventilation doit être adéquate.
Conditions de fonctionnement : Alimentation : 380 V/50 Hz/triphasé 5
Eau de refroidissement : Eau de réfrigération et de refroidissement conforme aux normes industrielles
Considérations relatives au choix d'un équipement de traitement de l'azote par membrane
Avant de choisir le type précis d'équipement, les exigences relatives au gaz produit final par l'équipement d'azote requis sont d'abord confirmées, et le procédé de fabrication de cet équipement est déterminé selon les recommandations du fabricant.
Examiner la rationalité de la conception des équipements (chaque ensemble de raccords est raisonnable, nécessaire et fonctionne avec une efficacité maximale)
Vérifier la fiabilité du fonctionnement des équipements (confirmer la pertinence des mesures de garantie dans la conception des équipements).
Capacités de recherche et développement, expérience de fabrication et niveau des fabricants
Calcul complet du coût des équipements de traitement de l'azote (prix des équipements, consommation d'eau et d'électricité, aménagement du site et frais d'installation, coûts d'utilisation et de maintenance, durée de vie), et non pas seulement le prix des équipements.
Principe de partitionnement membranaire
L'étude du transfert de masse gazeuse à travers les membranes remonte à plus d'un siècle. De nombreuses recherches ont porté sur le transport de gaz isolés dans les polymères et les membranes, et ces travaux ont connu un développement théorique important. Cependant, les applications pratiques des membranes datent des dernières décennies. La séparation des isotopes de l'uranium dans les armes nucléaires en est un exemple marquant. Ce n'est qu'à la fin des années 1970 que la perméabilité et la sélectivité des membranes polymères aux gaz ont atteint un niveau économique industriel suffisant pour permettre leur utilisation à grande échelle, telle qu'on la connaît aujourd'hui.
En général, la membrane est perméable à tous les gaz, mais à des degrés divers. La perméation des gaz à travers une membrane polymère creuse est un processus complexe. Son mécanisme repose sur l'adsorption des molécules de gaz à la surface de la membrane, leur dissolution, leur diffusion à l'intérieur de celle-ci, puis leur désorption de l'autre côté. La technologie de séparation membranaire exploite la différence des coefficients de dissolution et de diffusion des différents gaz au sein de la membrane pour réaliser leur séparation. Lorsqu'un mélange gazeux est soumis à une force motrice (différence de pression ou rapport de pression de part et d'autre de la membrane), les gaz à perméabilité rapide, tels que la vapeur d'eau, l'oxygène, l'hydrogène, l'hélium, le sulfure d'hydrogène, le dioxyde de carbone, etc., sont concentrés du côté perméant, tandis que les gaz à perméabilité lente, tels que l'azote, l'argon, le méthane, le monoxyde de carbone, etc., sont retenus du côté réceptif et concentrés, permettant ainsi la séparation du mélange gazeux.
Procédé de séparation membranaire pour équipement de production d'oxygène
En fonction des différentes pressions dans les conditions de séparation, nous divisons généralement la production d'oxygène par membrane en deux procédés différents ; l'utilisateur peut choisir le procédé approprié en fonction des exigences des différentes conditions de travail afin d'atteindre l'objectif d'une consommation unitaire minimale.
1. Production d'oxygène par membrane à flux haute pression
L'air comprimé, débarrassé des impuretés solides telles que l'huile, la poussière et la majeure partie de l'eau gazeuse grâce au système de prétraitement, pénètre dans le séparateur à membrane après préchauffage. Les gaz à perméabilité relativement rapide, tels que la vapeur d'eau, l'oxygène, l'hydrogène, l'hélium, le sulfure d'hydrogène et le dioxyde de carbone, sont concentrés du côté perméateur de la membrane, tandis que les gaz à perméabilité relativement lente, tels que l'azote, l'argon, le méthane et le monoxyde de carbone, sont retenus du côté rétention et concentrés. Sous le contrôle d'un automate programmable (PLC) ou d'un système de contrôle-commande distribué (DCS), le système assure une production d'oxygène continue et stable.
2. Procédé de production d'oxygène par écoulement à pression négative
L'air brut, après purification et dépoussiérage par le ventilateur, est introduit dans le séparateur à membrane. Les gaz à perméabilité relativement faible, tels que l'azote, l'argon, le méthane et le monoxyde de carbone, s'accumulent du côté de rétention de la membrane puis sont évacués. L'air enrichi en oxygène du côté de perméation est collecté par pompage sous vide comme gaz produit. Sous le contrôle d'un automate programmable (PLC) ou d'un système de contrôle-commande distribué (DCS), un flux continu d'oxygène de pureté stable est ainsi obtenu.
Caractéristiques des équipements de production d'oxygène par séparation membranaire
Principales caractéristiques des équipements de séparation oxygène-azote par membrane
Cet appareil présente les avantages suivants : processus simple, structure compacte et faible investissement en équipement.
L'appareil est de petite taille et peut être utilisé aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur.
L'appareil est hautement automatisé et facile à mettre en marche et à arrêter. Concentration d'oxygène en 10 minutes
Cette invention ne comporte aucune pièce mobile, comme un système de commutation de vannes, ne nécessite pas le remplacement régulier de pièces fragiles et requiert peu d'entretien.
En augmentant la taille du séparateur à membrane, la production d'air enrichi en oxygène peut être facilement étendue.
Le coût d'exploitation et de maintenance de l'appareil est inférieur à celui du PSA. Dans la plage de pureté de 25 à 35 %, l'invention présente un excellent rapport performance/prix. Pour les applications d'assistance à la combustion, elle offre des avantages incomparables par rapport aux autres méthodes de séparation de l'air, et sa consommation d'énergie est faible.
L'appareil présente une forte autonomie, une bonne stabilité, une grande fiabilité, fonctionne à température ambiante et à basse pression, et offre de bonnes performances en matière de sécurité.
Le débit de l'appareil peut varier de 0,2 à 50 000 Nm³/h, et la pureté de l'oxygène produit peut atteindre 25 à 45 %.
Composants de base d'un équipement de production d'oxygène par séparation membranaire
Principaux composants des équipements de traitement haute pression/basse pression
Compresseur d'air/1, groupe de soufflerie
Ensemble de prétraitement de la source d'air / 2, dépoussiérage, refroidisseur
Réservoir tampon d'air/3, séparateur à membrane
Séparateur à membrane/4. Réservoir tampon d'oxygène fini
Réservoir tampon d'oxygène fini/5, vanne de commutation et tuyauterie correspondante
Vanne de commutation et tuyau correspondant/6, groupe de pompe à vide
Système de contrôle automatique, système de détection/7, surpresseur d'oxygène
Système de pressurisation évolutif/8, commande automatique, système de détection
Conditions d'installation et de fonctionnement de l'équipement de production d'oxygène par membrane
Conditions d'installation : Le site d'installation doit être propre, lisse et facilement accessible pour l'installation de la grue ou du chariot élévateur.
Exigences relatives à l'environnement d'utilisation : L'air autour du site d'installation doit être propre, exempt de brouillards d'huile et de gaz corrosifs, et la ventilation doit être adéquate.
Conditions de fonctionnement : Alimentation : 380 V/50 Hz/triphasé 5
Eau de refroidissement : Eau de réfrigération et de refroidissement conforme aux normes industrielles
Considérations relatives au choix d'un équipement de production d'oxygène par membrane
Avant de procéder au choix du type précis, les exigences relatives au gaz produit final par l'équipement d'oxygène requis sont d'abord confirmées, et le processus de l'équipement requis est déterminé selon les recommandations du fabricant.
Examiner la rationalité de la conception des équipements (chaque ensemble de raccords est raisonnable, nécessaire et fonctionne avec une efficacité maximale)
Vérifier la fiabilité du fonctionnement des équipements (confirmer la pertinence des mesures de garantie dans la conception des équipements).
Capacités de recherche et développement, expérience de fabrication et niveau des fabricants
Calcul complet du coût des équipements d'oxygénothérapie (prix des équipements, consommation d'eau et d'électricité, site et frais associés, coûts de maintenance, durée de vie des équipements), et non pas seulement le prix des équipements.
