Dans les opérations à moyenne et grande échelle, les technologies de séparation cryogénique de l'air sont fréquemment utilisées pour produire de l'azote, de l'oxygène et de l'argon sous forme de gaz et/ou de liquide.
Pour la fabrication d'oxygène et d'azote ultra-purs, la séparation cryogénique de l'air est la méthode recommandée. Pour les installations à taux de fabrication élevé, c'est la technique la plus économique. La technologie cryogénique est utilisée dans toutes les opérations qui produisent des gaz industriels liquéfiés.
La quantité de gaz et de liquides à produire, la pureté des produits et la pression de refoulement nécessaires sont autant d'éléments qui influencent la complexité de l'installation. séparation cryogénique de l'air ainsi que les dimensions physiques des équipements et l'énergie nécessaire pour les faire fonctionner.
Cet article présente le guide du processus de séparation cryogénique de l'air. Allons-y !
Qu'est-ce que la séparation des gaz de l'air et la distillation cryogéniques ?
La technique de séparation de l'azote et de l'oxygène de l'air est connue sous le nom de distillation cryogénique. L'argon est également isolé dans certaines circonstances. Le terme "cryogénique" fait référence aux températures froides, tandis que le terme "distillation" fait référence au découplage des éléments d'une combinaison en utilisant le point d'ébullition des éléments. Par conséquent, les constituants dont le point d'ébullition est très bas sont extraits de préférence à basse température dans les distillations cryogéniques. Ce processus permet d'obtenir substances de haute puretémais elle est également très gourmande en énergie.
La chambre froide est un énorme conteneur isolé qui abrite les piliers de distillation et les échangeurs de chaleur qui fonctionnent à des températures extrêmement basses. L'effet Joule Thomson, également connu sous le nom d'effet d'étranglement, est utilisé dans la boucle de réfrigération. Le gaz passe par une porte isolée ou un bouchon perméable isolé tout au long de l'étranglement, et la température du gaz change en fonction de la pression alternée.
Matériel nécessaire
L'air ambiant peut contenir jusqu'à 5% d'humidité et une variété d'autres gaz (généralement à l'état de traces) qui doivent être éliminés à un ou plusieurs endroits du système de séparation et de sortie de l'air. installation de purification.
Étapes et processus de la séparation cryogénique de l'air
Distillation cryogénique de l'air : Étapes
- Prétraitement, compression et refroidissement de l'air entrant.
- Éliminer le dioxyde de carbone.
- Conduction de la chaleur pour abaisser la température de l'air d'alimentation à des niveaux cryogéniques.
- Distillation à l'air.
- Réfrigération
1. Prétraitement, compression et refroidissement de l'air entrant
Sur la base de la mélange de produits prévu et une force de production acceptable, l'air est comprimé à une pression comprise entre 5 et 8 bars (environ 75 à 115 psig) dans la plupart des cas. Après le dernier stade de compression, l'air comprimé est refroidi et une grande partie de la vapeur contenue dans le flux d'air est condensée et éliminée lorsque l'air traverse une succession de refroidisseurs interphases et un refroidisseur final.
Étant donné que la température de la canalisation de refroidissement obtenue (qui est presque toujours limitée par la température humide ou sèche de l'air ambiant) détermine la dernière température de l'air quittant la structure de compression, la température de l'air comprimé est souvent bien supérieure à la température idéale pour une efficacité maximale de l'air comprimé, ce qui permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre. performances des unités en aval. Par conséquent, un système de réfrigération mécanique est souvent utilisé pour refroidir l'air de manière significative.
2. Élimination du dioxyde de carbone et d'autres impuretés
Pour atteindre les critères de qualité du produit, certains éléments du flux d'air entrant doivent être éliminés. La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone doivent être éliminés de l'air avant qu'il ne pénètre dans la section de distillation cryogénique de l'installation, car ils se solidifient et s'accumulent à l'extérieur de l'équipement de procédure à des températures extrêmement basses.
Tamis moléculaire et les échangeurs à inversion sont les deux méthodes les plus utilisées pour éliminer la vapeur et le dioxyde de carbone.
- Une unité de pré-purification à tamis moléculaire est utilisée dans presque toutes les nouvelles installations de déconnexion d'air pour extraire le dioxyde de carbone et l'eau du flux d'air en adsorbant ces particules sur l'extérieur des substances à tamis moléculaire à une température proche de l'ambiante. D'autres polluants, tels que les hydrocarbures, que l'on peut rencontrer dans un environnement industriel, peuvent être facilement éliminés en ajustant la composition du tamis moléculaire. substances adsorbantes dans ces systèmes. Les substances adsorbantes sont généralement conservées dans deux conteneurs identiques, dont l'un est utilisé pour purifier l'air entrant et l'autre est régénéré avec des gaz d'échappement propres. À intervalles réguliers, les deux feuilles changent de service. Lorsqu'un taux élevé d'extraction d'azote est recherché, la pré-purification par tamis moléculaire est le choix évident.
- L'autre option consiste à éliminer l'eau et le CO2 à l'aide d'échangeurs de chaleur "inversés". Bien que les échangeurs inversés soient souvent considérés comme une technologie "ancienne", ils peuvent s'avérer plus rentables pour les usines d'azote ou d'oxygène dont les taux de production sont plus faibles. L'air comprimé est refroidi dans deux paires d'échangeurs de chaleur en aluminium brasé dans les usines qui utilisent des échangeurs de chaleur à inversion.
L'air entrant est refroidi par transfert de chaleur à une température suffisamment basse pour que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone se solidifient sur les surfaces de l'échangeur de chaleur. Un système de vannes alterne à intervalles réguliers le passage de l'air et des gaz résiduels. Après la transition, les gaz d'échappement très secs et chauffés différemment évaporent l'eau et subliment le gel de dioxyde de carbone qui s'est formé pendant l'intervalle de refroidissement de l'air. Ces gaz sont rejetés dans l'atmosphère et l'échangeur de chaleur à inversion est préparé pour une nouvelle inversion de la fonction de transit après leur élimination complète.
Les systèmes d'absorption à froid sont utilisés lorsque des échangeurs de chaleur inversés sont utilisés pour éliminer tous les hydrocarbures qui arrivent dans les unités de distillation. (Dans les unités de pré-purification, les hydrocarbures polluants sont éliminés en même temps que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone lorsqu'un tamis moléculaire est utilisé en amont).
3. Conduction de la chaleur pour abaisser la température de l'air d'alimentation à des niveaux cryogéniques
La chaleur est échangée entre l'air entrant et le flux de gaz de sortie et de déchets froids quittant la procédure de distillation cryogénique dans des échangeurs de chaleur en aluminium brasé. Les canaux de gaz sortants sont réchauffés à une température proche de celle de l'air ambiant. La quantité de réfrigération qui doit être générée par l'installation est réduite en récupérant la réfrigération des canaux de produits gazeux et des flux de déchets.
Une technique de réfrigération qui incorpore la croissance d'un ou de plusieurs flux de pas de pression améliorés produit la température extrêmement froide requise pour la distillation cryogénique.
4. Distillation de l'air
Deux piliers de distillation sont utilisés successivement pour produire de l'oxygène comme sous-produit du système de distillation. Les piliers de tension "haute" et "basse" (ou, alternativement, les piliers "inférieur" et "supérieur") sont les termes les plus couramment utilisés. Les installations d'azote peuvent avoir une ou deux colonnes, en fonction de leur pureté. Chaque colonne de distillation laisse sortir l'azote par le haut et l'oxygène par le bas. Lorsque l'oxygène contaminé produit dans le premier pilier (à plus haute pression) est un produit souhaité, il est raffiné davantage dans le deuxième pilier, à plus basse pression. Si l'on recherche de l'azote ultra-pur, le pilier supérieur ou à basse pression est utilisé pour éliminer la quasi-totalité de l'oxygène qui n'a pas été éliminé au cours de la première phase de distillation.
L'argon a un point d'ébullition comparable à celui de l'oxygène. Par conséquent, si seuls de l'oxygène et de l'azote sont nécessaires comme sous-produits, il restera de préférence avec la sortie d'oxygène. Dans un système conventionnel à deux piliers, la pureté de l'oxygène est donc limitée à environ 97 %. Si de l'oxygène de faible pureté est autorisé (par exemple, pour améliorer la combustion), la pureté de l'oxygène peut être aussi réduite que 95%. Cependant, l'argon doit être éliminé de l'unité de distillation si l'on souhaite obtenir de l'oxygène de grande pureté.
Lorsque de l'argon est nécessaire, il est extrait à un endroit du flux basse pression où la concentration d'argon est maximale. L'argon extrait est traité dans une tour de distillation d'argon brut "side-draw" qui est incorporée au pilier basse pression. Le flux d'argon contaminé peut être évacué, traité sur place pour éliminer l'oxygène et l'azote et produire de l'argon "pur", ou stocké sous forme liquide et livré à une "distillerie d'argon" éloignée. L'option choisie est principalement déterminée par la quantité d'argon accessible et par une analyse coûts-avantages des différentes options. En règle générale, la purification de l'argon est la plus rentable lorsqu'au moins 100 tonnes d'oxygène sont produites chaque jour.
Une technique en plusieurs étapes est utilisée pour fabriquer de l'argon pur à partir d'argon brut. La méthode conventionnelle consiste à utiliser un composant "désoxygène" pour éliminer l'oxygène 2 - 3 % présent dans l'argon brut. Il s'agit d'une petite procédure en plusieurs étapes qui combine chimiquement l'oxygène avec l'hydrogène dans un conteneur contenant un catalyseur et qui élimine ensuite l'eau (après refroidissement) dans un sécheur à tamis moléculaire. Le flux d'argon exempt d'oxygène est ensuite distillé pour éliminer les restes d'azote et d'hydrogène insoluble dans une unité de distillation d'argon pur.
Une deuxième option de fabrication de l'argon est apparue à la suite des progrès réalisés dans la technologie de la distillation en colonne garnie : la récupération de l'argon entièrement cryogénique, qui utilise une colonne de distillation très haute (mais d'un diamètre minuscule) pour réaliser le difficile découplage de l'argon et de l'oxygène. La variation relativement modeste des points d'ébullition entre l'oxygène et l'argon nécessite plusieurs étapes de distillation pour l'argon.
La quantité d'oxygène traitée dans le système de distillation, ainsi que diverses autres variables qui influencent le taux de récupération, limitent le volume d'argon qu'une installation peut produire. Ces facteurs comprennent le volume d'oxygène liquide produit et la cohérence des paramètres d'exploitation de l'installation. La production d'argon ne peut dépasser 4,4 % du taux d'alimentation en oxygène (en volume) ou 5,5 % en poids en raison de la proportion de gaz existant naturellement dans l'air.
Les échangeurs de chaleur frontaux sont utilisés pour rediriger les produits gazeux froids et les flux de déchets provenant des tours de séparation de l'air. Ils refroidissent l'air entrant en le réchauffant jusqu'à une température proche de la température ambiante. Comme indiqué précédemment, le transfert de chaleur entre les flux d'entrée et les flux de produits réduit la charge frigorifique nette de l'installation et, par conséquent, la consommation d'énergie, l'utilisation de l'énergie.
5. Réfrigération
Pour tenir compte des fuites de chaleur dans les appareils froids et du faible échange de chaleur entre les flux gazeux entrants et sortants, la réfrigération est produite à des températures cryogéniques.
Le cycle de réfrigération utilisé dans les installations de séparation cryogénique de l'air est en théorie identique à celui qui est appliqué dans les systèmes de climatisation domestiques et automobiles. Selon le type d'installation, un ou plusieurs flux à haute pression (azote, gaz résiduel, gaz d'alimentation ou gaz de sortie) sont abaissés en pression, ce qui refroidit le flux. La chute de pression (ou expansion) a lieu à l'intérieur d'un expandeur afin d'améliorer le refroidissement et l'efficacité énergétique de l'industrie.
La température du flux gazeux est davantage réduite lorsque de l'énergie lui est retirée pendant la croissance que lorsqu'il est simplement détendu au moyen d'une vanne. L'énergie du détendeur peut être utilisée pour alimenter un condenseur de procédure, un générateur électrique ou un autre dispositif gourmand en énergie comme une pompe à huile ou un ventilateur.
Les sorties gazeuses d'une usine d'oxygène cryogénique ou d'un système de séparation de l'air quittent généralement la chambre froide (le conteneur isolé contenant les sections de distillation et d'autres machines fonctionnant à des températures très basses) à des températures proches de l'atmosphère, mais à une pression réduite, souvent juste au-dessus d'une température ambiante (absolue). Les procédure de séparation et de purification est généralement plus efficace lorsque la pression de refoulement est réduite.
Bien qu'une pression plus basse permette de réduire la demande d'énergie pour la séparation, si les sorties doivent être fournies à une pression plus élevée, des compresseurs de produit ou l'une des nombreuses alternatives de cycle pour alimenter l'azote ou l'oxygène à une pression de distribution plus élevée directement à partir de la chambre froide seront nécessaires. Ces techniques de pression de distribution plus élevée peuvent être plus rentables que la séparation accompagnée d'une compression, car elles ne nécessitent pas de compresseur de produit ni d'électricité.
Conseils efficaces et de sécurité
Avant de commencer la construction et la conception d'un système ou d'un processus cryogénique, il convient de procéder à une analyse formelle des risques. Déterminez les risques et la manière dont vous les traiterez. Posez des scénarios de type "que se passerait-il si" ? N'oubliez pas que les machines peuvent tomber en panne, que les fluides cryogéniques peuvent se transformer rapidement en gaz, que les vannes peuvent fuir ou être manipulées de manière incorrecte et que les aspirateurs peuvent mal fonctionner. Quelle que soit la taille ou la complexité du système cryogénique, cette évaluation doit être réalisée.
Dès le départ, intégrez la sécurité dans vos équipements et vos procédures. Incorporer des éléments de sécurité à la fin de la phase de conception peut être coûteux et prendre beaucoup de temps, et il est possible que des dangers soient négligés. Il convient de noter qu'il est toujours préférable d'éliminer un danger par le biais de la conception technique plutôt que de l'améliorer.
Même les spécialistes peuvent passer à côté de quelque chose ou faire une erreur. Il est essentiel de faire évaluer la sécurité de votre système cryogénique par d'autres personnes, qu'il s'agisse d'autres collègues, d'experts externes ou d'organismes d'évaluation officiels, afin d'améliorer les chances d'obtenir un système sûr.
Il faut toujours évaluer la probabilité de risques de carence en oxygène lorsqu'on utilise des liquides cryogéniques ou des gaz inertes, quelle qu'en soit la quantité. Il faut soit établir qu'un tel risque n'existe pas par le biais d'une évaluation, soit mettre en œuvre des améliorations de conception ou des mesures d'atténuation pertinentes afin d'éliminer ou de réduire le risque. En raison du volume massif de gaz produit même par de petits volumes de liquide cryogénique et de la possibilité qu'à des niveaux d'oxygène suffisamment bas, le premier symptôme physiologique peut être une perte de conscience rapide, accompagnée d'un coma et de la mort, les difficultés liées à l'ODH sont particulièrement sérieuses.
À des températures cryogéniques, n'utilisez que des substances dont l'efficacité a été démontrée à ces températures. Gardez à l'esprit que les substances censées fonctionner à des températures ambiantes (telles que les parois extérieures des conteneurs sous vide) pourraient atteindre des températures cryogéniques dans certains mécanismes de défaillance au cours de l'évaluation des risques.
Vérifier que toutes les personnes travaillant avec ou à proximité d'équipements cryogéniques, même les utilisateurs occasionnels, ont reçu le niveau requis de formation à la sécurité en matière de cryogénie et de risques liés au manque d'oxygène.
Portez toujours l'équipement de protection individuelle approprié et respectez les procédures opérationnelles établies. Prendre des raccourcis entraîne souvent des accidents.
Le bilan
Dans le processus de séparation cryogénique de l'air, les agents de séchage sont indispensables. Vous devez travailler avec un usine de fabrication qui peuvent vous offrir des produits de haute qualité. Contactez nous et nous nous ferons un plaisir de vous proposer nos services.
EN 
DE 
ES 
JA 
RU 
PT 
FR 
