Processus de distillation cryogénique : Un guide pour la séparation de l'air

Introduction à la distillation cryogénique

Dans le domaine de la séparation de l'air, la distillation cryogénique est un processus important qui permet de produire de l'azote, de l'oxygène et de l'argon de grande pureté. Cette technologie avancée, l'une des principales technologies cryogéniques, fonctionne sur le principe de la distillation fractionnée et s'appuie sur des températures extrêmement basses pour séparer les composants de l'air en raison de leurs différents points d'ébullition. La distillation cryogénique est couramment utilisée dans de nombreuses industries, notamment la production de gaz industriels, l'enrichissement de la combustion et la production de gaz spéciaux.

Les unités de séparation cryogénique de l'air (ASU) ou les usines de séparation de l'air sont les endroits où la distillation cryogénique a lieu en comprimant l'air atmosphérique, en le refroidissant et en le séparant en ses principaux constituants. Le processus implique une combinaison d'échangeurs de chaleur, de colonnes pour fractionner le mélange à différents niveaux de composition des liquides, ainsi que des systèmes de réfrigération qui fonctionnent ensemble pour atteindre les exigences de pureté ciblées. Ces technologies cryogéniques sont également utilisées pour la liquéfaction et la séparation du gaz naturel. Les tamis moléculaires sont des éléments essentiels de ce système, car ils aident à éliminer les impuretés telles que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et les hydrocarbures des flux d'entrée et de sortie. Selon un rapport de Grand View Research, la taille du marché mondial des usines de séparation de l'air était évaluée à $4,8 milliards en 2020 et devrait croître à un taux de croissance annuel moyen de 5,2% entre 2021 et 2028.

Composants clés d'un système de distillation cryogénique

Compression et refroidissement de l'air

La distillation cryogénique commence par la compression et le refroidissement de l'air. La première étape consiste à filtrer l'air pour éliminer toute impureté avant de le comprimer à des pressions élevées, souvent comprises entre 6 et 8 bars. L'air comprimé subit un certain nombre de processus d'échange de chaleur qui réduisent sa température à un niveau proche de la température ambiante. L'objectif principal de cette première étape de refroidissement est de préparer l'air à un traitement ultérieur tout en garantissant une plus grande efficacité des étapes cryogéniques.

Les échangeurs de chaleur dans le refroidissement cryogénique

Le réseau d'échangeurs de chaleur refroidit à son tour l'air comprimé à des niveaux cryogéniques après une phase initiale de refroidissement. Ces échangeurs de chaleur parviennent à abaisser progressivement la température d'entrée en utilisant les gaz d'échappement froids des colonnes de distillation. À environ -180°C, l'air atteint un point où il commence à se liquéfier. La liquéfaction est un processus majeur de la distillation cryogénique, car elle permet de fractionner les composants en fonction de leurs différents points d'ébullition.

Colonnes de distillation et réfrigération

Le cœur du processus de distillation cryogénique se trouve dans les colonnes de distillation où l'on sépare l'air en ses ingrédients de base. Une vapeur riche en azote et un liquide riche en oxygène sont produits lorsque l'air liquéfié pénètre dans une colonne de distillation à haute pression. Ensuite, le gaz riche en azote est encore purifié à l'aide d'une colonne de distillation à basse pression, tandis que le liquide riche en oxygène est débarrassé des autres impuretés et récupère l'argon.

La réfrigération joue un rôle important dans le maintien des conditions cryogéniques nécessaires à une séparation atmosphérique efficace. Dans les systèmes de réfrigération en boucle fermée utilisés au cours des processus de distillation cryogénique, le cycle d'expansion de l'azote ou le cycle de réfrigération mixte sont également couramment utilisés. Les systèmes de réfrigération garantissent que les colonnes fonctionnent à la température requise pour une bonne séparation des différents composants de l'air.

Le rôle des tamis moléculaires dans la distillation cryogénique

Unités de pré-purification à tamis moléculaire

Le processus de distillation cryogénique consiste principalement à utiliser des tamis moléculaires pour pré-purifier l'air. L'air comprimé traverse un lit de tamis moléculaire avant d'entrer dans l'unité principale de séparation de l'air, ce qui permet d'éliminer les impuretés susceptibles d'entraver le processus cryogénique ou d'altérer la qualité du produit.

L'une des fonctions importantes des tamis moléculaires à ce stade est d'éliminer la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone de l'air comprimé. Lorsqu'elles ne sont pas éliminées, ces impuretés peuvent geler et bloquer les échangeurs de chaleur ainsi que les colonnes de distillation, ce qui entraîne des interruptions de processus et une réduction de l'efficacité. Les tamis moléculaires sont capables de piéger la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone grâce à leur capacité d'adsorption sélective, ce qui permet d'obtenir de l'air sec et propre pour la distillation cryogénique.

Les unités de pré-purification à tamis moléculaire présentent plusieurs avantages par rapport aux échangeurs de chaleur à inversion classiques. Cependant, ces derniers ne parviennent pas à éliminer efficacement le dioxyde de carbone, bien qu'ils soient capables d'éliminer la vapeur d'eau. Contrairement à ces derniers, les tamis moléculaires peuvent éliminer simultanément la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone, offrant ainsi une solution de purification complète. Deuxièmement, les tamis moléculaires ont une meilleure capacité d'adsorption et ils fonctionnent à des températures plus élevées que les échangeurs de chaleur à inversion, ce qui permet d'améliorer l'efficacité énergétique et de réduire les coûts d'entretien.

Applications des tamis moléculaires dans la séparation de l'air

Les tamis moléculaires sont très importants pour la fabrication de produits purs dans la distillation cryogénique. Les tamis moléculaires éliminent les substances telles que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et les hydrocarbures du flux d'air afin de produire de l'azote, de l'oxygène et de l'argon d'une grande pureté.

Les tamis moléculaires protègent également les équipements en aval de la distillation cryogénique. En éliminant les impuretés susceptibles d'endommager ou d'altérer les performances des échangeurs de chaleur, des colonnes de distillation et d'autres composants clés, les tamis moléculaires prolongent la durée de vie de l'équipement et réduisent la maintenance. Dans les applications cryogéniques, cette protection est essentielle car les températures extrêmement basses entraînent une usure rapide des équipements en raison de la présence d'impuretés.

Le processus de distillation cryogénique

Colonnes de distillation à haute et basse pression

Dans le processus de distillation cryogénique, un certain nombre de colonnes de distillation à haute et basse pression sont utilisées pour séparer l'air en ses principaux composants. La colonne à haute pression fonctionne à environ 6 à 8 bars et sépare l'air en une vapeur riche en azote et un liquide riche en oxygène. Au-dessus de la colonne à haute pression se trouve la vapeur riche en azote qui alimente la colonne à basse pression avec une pression de fonctionnement d'environ 1 à 1,5 bar. Dans la colonne à basse pression, la purification de l'azote se poursuit, laissant de l'oxygène et de l'argon.

Séparation de l'azote, de l'oxygène et de l'argon

Dans le processus de distillation cryogénique, la séparation de l'azote, de l'oxygène et de l'argon dépend de leurs différents points d'ébullition : L'azote a le point d'ébullition le plus bas (-195,8°C), suivi de l'argon (-185,8°C) et de l'oxygène (-183°C). La vapeur riche en azote est séparée de l'oxygène liquide dans une colonne à haute pression, tandis que dans une colonne à basse pression, elle est nettoyée pour être condensée ultérieurement sous forme d'azote hautement purifié. Les impuretés sont éliminées au bas de la colonne à haute pression, où elles recueillent à nouveau de l'argon pur.

Procédés de réfrigération et de détente

Les processus de réfrigération et d'expansion sont essentiels pour maintenir les températures cryogéniques nécessaires à une séparation efficace de l'air. Généralement, le processus de distillation cryogénique utilise des systèmes de réfrigération en boucle fermée qui impliquent un cycle d'expansion de l'azote ou des cycles de réfrigération mixte. Par exemple, une certaine quantité d'azote sous pression provenant des colonnes de distillation est autorisée à se dilater à travers des turbines, produisant ainsi l'effet de refroidissement nécessaire pour atteindre les températures cryogéniques (cycle d'expansion de l'azote). Le cycle à réfrigérant mixte utilise également divers réfrigérants tels que le méthane ou l'éthane, entre autres, ainsi que de l'azote gazeux à des fins d'efficacité.

Purification du produit et récupération de l'argon

Le processus de distillation cryogénique suit la séparation de l'air en ses composants clés, la purification du produit et la récupération de l'argon. Une purification supplémentaire de la vapeur riche en azote provenant de la colonne à basse pression a lieu pour éliminer toute autre impureté comme l'oxygène et l'argon afin d'obtenir de l'azote de haute pureté. Cette purification est effectuée par d'autres étapes de distillation ou par l'utilisation de techniques d'adsorption.

L'argon peut être récupéré lors d'une étape importante de la distillation cryogénique, car il s'agit d'un composant précieux issu de la séparation de l'air. La récupération de l'argon par une série d'étapes de distillation et de processus de rectification a lieu dans un liquide riche en oxygène dans la partie la plus basse de la colonne à haute pression. L'argon brut se concentre d'abord dans une colonne d'argon avant d'être purifié dans une colonne d'argon pur afin d'atteindre un niveau de pureté adéquat. La récupération de l'argon améliore non seulement la viabilité économique d'un processus de séparation de l'air, mais contribue également à satisfaire la demande industrielle croissante dans divers secteurs.

Le rôle des tamis moléculaires dans le post-traitement

En outre, les tamis moléculaires jouent également un rôle crucial dans la phase de post-traitement de la distillation cryogénique. Après la séparation de l'air en ses composants primaires et la purification initiale, les tamis moléculaires sont utilisés pour nettoyer les contaminants résiduels qui peuvent encore se trouver dans les flux de produits. Il peut s'agir de vapeur d'eau résiduelle, de dioxyde de carbone et d'hydrocarbures qui n'ont pas été complètement éliminés lors de l'étape de pré-purification ou qui ont été ajoutés pendant la distillation.

L'utilisation de tamis moléculaires au cours des étapes de post-traitement est indispensable pour atteindre les niveaux de pureté élevés requis dans différentes applications industrielles. Ils garantissent ainsi que les flux de produits finaux répondent à des spécifications strictes de pureté en fonction des besoins des clients, grâce à l'adsorption sélective de toutes les impuretés résiduelles. Par exemple, la production d'azote de haute pureté pour l'industrie électronique peut utiliser des tamis moléculaires pour éliminer les traces d'impuretés qui, autrement, diminueraient sa qualité et affecteraient négativement les processus de fabrication.

Efficacité énergétique et réduction des coûts

Le processus de séparation de l'air étant très énergivore, l'efficacité énergétique devient une question cruciale dans la distillation cryogénique. L'amélioration continue de l'efficacité énergétique est importante pour réduire les dépenses d'exploitation et l'impact des changements environnementaux qui accompagnent les installations de séparation de l'air. La chaleur peut être mieux utilisée pour rendre le processus de distillation cryogénique plus économe en énergie. L'énergie peut être économisée en utilisant les flux d'azote et d'oxygène froids issus du processus pour pré-refroidir l'air entrant. En outre, la charge des équipements cryogéniques en aval peut être réduite si des tamis moléculaires à haute performance sont utilisés au stade de la pré-purification, ce qui permet d'éviter des étapes de purification supplémentaires.

Une autre méthode pour minimiser les coûts de la distillation cryogénique consiste à utiliser des systèmes avancés de contrôle des processus. Ces systèmes sont dotés d'algorithmes complexes et d'analyses de données en temps réel pour un fonctionnement optimal des installations de séparation de l'air, de manière à ce que les paramètres du processus soient maintenus dans les limites requises. Le contrôle avancé des processus réduit la consommation d'énergie, améliore la qualité des produits et augmente l'efficacité globale de l'usine. Un rapport de l'Agence internationale de l'énergie indique que le passage à des systèmes avancés de contrôle des processus dans les installations de séparation de l'air peut réduire jusqu'à 10% la consommation d'énergie, ce qui indique un grand potentiel de réduction des coûts dans la distillation cryogénique (Agence internationale de l'énergie).

Applications de la distillation cryogénique dans l'industrie

À un moment ou à un autre, de nombreuses industries ont recours à la distillation cryogénique pour produire des gaz de grande pureté. Avant d'examiner les applications spécifiques, il est important de comparer la distillation cryogénique aux autres méthodes de séparation de l'air en termes d'énergie consommée, de pureté du produit et de capacité de l'usine. Le tableau suivant illustre une comparaison entre trois grandes méthodes de séparation de l'air :

Comme le montre le tableau ci-dessus, les distillations cryogéniques sont les meilleures lorsqu'il s'agit de gaz de très haute pureté (>99,999%) et conviennent à la fabrication à grande échelle (5000 tonnes/jour). Ce sont ces avantages qui rendent la distillation cryogénique populaire dans plusieurs industries, comme nous le verrons plus loin dans ce document.

Production industrielle de gaz

La méthode de distillation cryogénique est largement utilisée dans ce secteur pour la séparation de grandes quantités d'azote, d'oxygène et d'argon de haute pureté. Ces gaz industriels sont utilisés dans diverses industries telles que le traitement chimique, la métallurgie, l'électronique, les soins de santé, etc. La distillation cryogénique permet de répondre aux exigences les plus strictes de ces industries, car elle produit des gaz d'une pureté supérieure à 99,999%.

Enrichissement de la combustion

Dans le domaine de l'enrichissement de la combustion, la distillation cryogénique a également un grand rôle à jouer. Les processus de combustion peuvent être optimisés grâce à l'application du processus de distillation cryogénique qui permet d'obtenir de l'air enrichi en oxygène. L'utilisation d'air enrichi en oxygène permet d'augmenter l'efficacité de la combustion, de réduire la consommation de carburant et de diminuer les émissions de polluants tels que les oxydes d'azote (NOx) et le dioxyde de carbone (CO2).

Fabrication de gaz spéciaux

En outre, le processus de fabrication des gaz spéciaux s'effectue par distillation cryogénique, ce qui implique de très petites quantités de gaz très purs nécessaires à des fins spécifiques. Ces gaz spéciaux comprennent l'azote, l'oxygène et l'argon de très haute pureté (UHP), ainsi que des gaz rares comme le néon, le krypton et le xénon. La production de gaz spéciaux exige des niveaux de pureté bien plus élevés que ceux des gaz industriels, puisqu'ils peuvent aller jusqu'à 99,9999%. La distillation cryogénique combinée à des techniques de purification avancées telles que l'adsorption sur tamis moléculaire ou la purification catalytique constitue une voie vers la production de ces gaz de très haute pureté pour les semi-conducteurs, les cellules solaires ou les applications de l'industrie de la recherche qui en ont besoin.

Conclusion

Le processus de distillation cryogénique est largement utilisé pour la fabrication et la production de gaz industriels, l'enrichissement de la combustion et la préparation de gaz spéciaux. Sa capacité à produire des gaz d'une pureté supérieure à 99,999% en fait une technologie irremplaçable dans diverses industries telles que le traitement chimique, la métallurgie, l'électronique et les soins de santé.

Les tamis moléculaires ont un rôle essentiel à jouer dans le processus de distillation cryogénique, tant au stade de la pré-purification qu'à celui du post-traitement. À cet égard, la séparation cryogénique de l'air par des procédés de distillation sera de plus en plus importante en raison de l'escalade continue de la demande de gaz industriels très purs.