Comment l'oxygène est-il produit industriellement ? Guide complet du processus

La question de la préparation industrielle de l'oxygène est importante car l'oxygène est utilisé dans de nombreux secteurs, notamment la santé, la fabrication, le soudage et la production d'électricité. Le processus de production industrielle d'oxygène repose sur l'extraction et la purification de l'oxygène de l'air afin de répondre à certaines exigences. En outre, à ce stade, il ne s'agit pas seulement de séparer l'oxygène, mais aussi d'en assurer la qualité, la pureté et l'efficacité.

Dans ce guide, nous allons explorer les principales techniques de production industrielle d'oxygène, les difficultés qui se posent lors de la production et les technologies qui définiront l'avenir. À la fin de cet article, vous serez en mesure de comprendre toutes les étapes de la production d'oxygène.

Qu'est-ce que la production industrielle d'oxygène ?

La production industrielle d'oxygène désigne le processus d'obtention et de purification de l'oxygène de l'air pour les besoins de diverses industries. Bien que l'oxygène soit présent dans l'air atmosphérique terrestre sous la forme d'environ 21%, il ne peut pas être utilisé tel quel dans la plupart des processus industriels. Il faut donc utiliser une méthode pour séparer l'oxygène des autres éléments constituant l'air, dont le principal est l'azote, l'argon et d'autres gaz résiduels, et pour obtenir la pureté et le volume d'oxygène adéquat.

L'objectif de la production industrielle d'oxygène est donc de fournir de l'oxygène dans les quantités requises et avec des niveaux de pureté appropriés pour une utilisation dans des secteurs connexes considérés ici comme médicaux, métallurgiques, chimiques et énergétiques. Par exemple, l'oxygène médical utilisé dans les hôpitaux doit être d'une pureté supérieure à 99,5%, tandis que l'oxygène industriel utilisé pour le soudage ou les processus de combustion ne nécessite pas un niveau de pureté aussi élevé.

À cette fin, plusieurs systèmes et appareils complexes sont utilisés dans les usines de production d'oxygène. Les installations les plus courantes sont les suivantes :

Unité de séparation des gaz de l'air (ASU) : Il s'agit de l'élément central de nombreuses grandes usines de production d'oxygène. Les ASU utilisent des technologies telles que la distillation cryogénique pour refroidir l'air et isoler les différents gaz. Dans l'ASU, les boîtes froides sont également utilisées pour maintenir le profil de température extrêmement bas nécessaire à la liquéfaction de l'air.

Compresseurs : Il est utilisé pour comprimer l'air atmosphérique avant sa séparation en éléments constitutifs d'un gaz particulier. Ces machines sont également utiles pour permettre à l'air d'atteindre les niveaux de pression définis pour des fonctions en aval telles que l'adsorption ou la distillation cryogénique.

Tours d'adsorption (pour les systèmes PSA) : Dans les systèmes d'adsorption modulée en pression (AMP), les tours d'adsorption doivent être remplies de matériaux tels que des zéolithes, à travers lesquels les molécules d'azote sont sélectivement adsorbées, tandis que l'oxygène reste libéré.

Systèmes de membranes : Les systèmes de séparation à membrane sont utilisés pour les applications nécessitant des volumes plus faibles ou de l'oxygène de moindre pureté. Ces systèmes utilisent des membranes qui sont sélectives à l'oxygène et laissent donc passer l'oxygène de préférence aux autres gaz.

Réservoirs de stockage cryogéniques : L'oxygène liquide, en particulier, est stocké dans des réservoirs cryogéniques après avoir été produit. Ces réservoirs ont des températures très basses qui maintiennent l'oxygène à l'état liquide jusqu'à ce qu'il soit nécessaire de l'utiliser ou qu'il soit pompé à travers le processus de conversion en gaz.

Les équipements susmentionnés fonctionnent conjointement pour garantir que la production d'oxygène est aussi efficace que possible pour l'industrie. La décision en la matière et le choix de l'équipement et de la méthode dépendent de l'application à laquelle ils sont destinés, de l'échelle de production, ainsi que du degré de pureté requis.

La production industrielle d'oxygène est donc un projet complexe qui fait partie intégrante de l'économie actuelle. Ainsi, les industries peuvent obtenir la quantité d'oxygène requise, sa pureté et atteindre le niveau nécessaire d'efficacité de production avec l'aide des technologies et des équipements les plus modernes.

Les principales méthodes de production industrielle d'oxygène

La production d'oxygène à l'échelle industrielle repose sur trois méthodes principales : la méthode cryogénique de production d'oxygène, l'adsorption modulée en pression (AMP) et la séparation par membrane. Toutes ces méthodes présentent des particularités et sont utilisées dans le mode correspondant en fonction de l'échelle, de la pureté et du coût du matériau nécessaire.

Production d'oxygène cryogénique : Utilisation du processus de liquéfaction de l'air et de distillation pour séparer l'oxygène

La production cryogénique d'oxygène est la méthode la plus courante pour la production d'oxygène à grande échelle en raison de sa grande pureté. Ce procédé utilise la distillation cryogénique, qui consiste à refroidir l'air à une température inférieure à son point de liquéfaction. À ces températures, l'air se liquéfie et ses différents composants peuvent être séparés en fonction de leur point d'ébullition. Par exemple, l'oxygène bout à -183 degrés Celsius tandis que l'azote bout à -196 degrés Celsius.

Toutefois, avant la liquéfaction, l'air doit être purifié pour éliminer la vapeur d'eau et d'autres contaminants tels que le CO₂. Cette étape est importante car, dans des conditions cryogéniques, même une petite quantité d'eau ou de CO₂ se condense pour former de la glace ou du CO₂ solide qui obstrue l'équipement et entrave le processus de séparation. À ce stade, les tamis moléculaires tels que 4A et 13X sont essentiels. Ils sont capables d'adsorber l'eau et le CO₂ avec une grande sélectivité et les concentrations de ces composants sont ramenées à moins de 1 ppm. Les tamis moléculaires sont également uniques dans leur capacité à éliminer à la fois l'humidité et le CO₂, et dans leur performance au cours de multiples cycles de régénération. D'autres déshydratants tels que le gel de silice et l'alumine activée peuvent être utilisés avant les tamis moléculaires pour traiter de grandes quantités d'humidité, mais ils ne peuvent pas rivaliser avec le séchage fin et profond fourni par les tamis moléculaires, en particulier pour les applications cryogéniques.

Après avoir été séché et purifié, l'air est refroidi à sa température de liquéfaction, puis pompé dans une chambre froide. Là, des colonnes de distillation séparent l'oxygène de l'azote, de l'argon et d'autres composants mineurs. Le produit final est de l'oxygène liquide de très haute pureté qui peut être utilisé tel quel ou vaporisé pour être utilisé dans l'oxygène médical, le soudage et les industries sidérurgiques. Cette méthode convient mieux aux applications qui nécessitent de l'oxygène d'une pureté supérieure à 99% et à la production d'oxygène à grande échelle, ce qui en fait une technologie fondamentale pour les industries ayant une forte demande en oxygène.

Cependant, la production d'oxygène cryogénique n'est pas sans poser de problèmes. Les températures cryogéniques sont difficiles à atteindre et à maintenir, et les systèmes de refroidissement nécessaires à cette fin sont très énergivores et coûteux. Mais pour les industries qui ont besoin d'un approvisionnement important et constant en oxygène, comme les industries sidérurgiques, le soudage au gaz ou les industries de soins de santé, cette méthode reste très utile en raison de sa fiabilité et de sa capacité à produire de grandes quantités d'oxygène.

Adsorption par variation de pression (PSA)

L'adsorption modulée en pression (AMP) est l'un des moyens les plus efficaces et les plus économiques de produire de l'oxygène. Elle fait appel à des matériaux tels que les zéolithes pour adsorber sélectivement l'azote tout en laissant passer l'oxygène. Fonctionnant à des pressions relativement faibles, les systèmes PSA conviennent à la production d'oxygène sur site, en particulier dans des secteurs tels que les soins de santé, où la disponibilité de l'oxygène est essentielle.

Dans les systèmes PSA, l'air comprimé traverse d'abord un matériau absorbant qui capture l'azote et d'autres contaminants tels que le CO₂ et l'humidité. Si elles ne sont pas traitées, ces impuretés peuvent réduire considérablement l'efficacité et la durée de vie du système. Les tamis moléculaires tels que le 5A et le 13X sont utilisés dans ce processus car ce sont les principaux adsorbants utilisés pour la séparation de l'azote et le séchage en profondeur. Les tamis moléculaires contribuent à maintenir les performances du système et la production constante d'oxygène en réduisant la teneur en humidité et en CO₂ à moins de 1 ppm. Certaines étapes du prétraitement font appel à des agents de séchage tels que l'alumine activée et le gel de silice, qui traitent l'humidité en vrac et protègent les tamis moléculaires. Cependant, les tamis moléculaires sont absolument essentiels pour atteindre le niveau de précision et de pénétration nécessaire aux opérations de PSA.

Lorsque la pression dans le système est relâchée, l'azote est désorbé et le matériau adsorbant est prêt pour le cycle d'opération suivant. Le PSA ne peut pas atteindre le même niveau de pureté que la distillation cryogénique, mais il peut produire de l'oxygène d'une pureté de 90-95%, ce qui est adéquat pour des utilisations telles que le soudage au gaz ou à des fins médicales.

Le PSA est également évolutif, ce qui constitue l'un de ses principaux avantages. Ils peuvent être conçus pour une production à petite ou moyenne échelle et sont donc abordables pour les industries qui n'ont pas besoin des grandes quantités produites par les installations cryogéniques. Toutefois, le matériau adsorbant doit être fréquemment régénéré pour conserver une efficacité élevée à long terme.

Adsorption par rotation de pression sous vide (VPSA)

Le VPSA est une modification du PSA qui améliore l'efficacité car un vide est utilisé pour éliminer l'azote pendant le processus de désorption. Cela réduit la consommation d'énergie et augmente les performances globales du système, ce qui fait du VPSA un choix rentable pour la production d'oxygène de pureté moyenne à des débits plus élevés. Il est couramment utilisé dans la production d'acier, le traitement de l'eau et les systèmes de combustion.

Afin d'obtenir un fonctionnement stable des systèmes VPSA, il est nécessaire d'utiliser de l'air exempt d'humidité et de CO₂, car ces composants peuvent endommager les adsorbants ou diminuer les performances du système. Les tamis moléculaires de type 5A, 13X et LiX avancé sont importants dans ce processus. Les tamis moléculaires LiX, en particulier, ont une capacité d'adsorption de l'azote plus élevée, une meilleure performance d'élimination de l'eau et du CO₂, et une meilleure stabilité à haute pression et dans des conditions de régénération multiples.

Le prétraitement consiste normalement en de l'alumine activée et du gel de silice pour traiter l'élimination de l'humidité brute et minimiser le travail des tamis moléculaires. Néanmoins, les tamis moléculaires sont essentiels pour atteindre des points de rosée extrêmement bas et préserver les performances des systèmes VPSA à long terme. Si le VPSA a un coût énergétique par volume d'oxygène généré inférieur à celui du PSA, il a des coûts d'investissement plus élevés en raison des systèmes sous vide. À cet égard, le VPSA convient mieux aux industries qui ont besoin à la fois d'une grande efficacité et d'une grande capacité.

Séparation membranaire : Extraction de l'oxygène grâce à la perméabilité de membranes spécifiques

La séparation par membrane est une technologie relativement nouvelle dans la production d'oxygène. Elle utilise des membranes polymères sélectives qui permettent le passage des molécules d'oxygène plutôt que des molécules d'azote pour produire un flux concentré d'oxygène. Cette méthode est de petite taille, la consommation d'énergie est faible et elle convient aux applications qui ne nécessitent pas de hauts niveaux de pureté de l'oxygène.

Les systèmes membranaires sont particulièrement avantageux pour les installations éloignées ou mobiles en raison de leur simplicité et de leur faible entretien. Par exemple, l'industrie du soudage au gaz ou les industries de production chimique utilisent cette méthode en raison de sa flexibilité. Cependant, en raison de son incapacité à atteindre le même niveau de pureté de l'oxygène que les procédés PSA ou cryogéniques, l'utilisation de cette technique est quelque peu limitée aux exigences modérées en matière de pureté de l'oxygène.

Avant que l'air ne pénètre dans les membranes, il doit être déshumidifié pour obtenir les meilleurs résultats. L'eau et le CO₂ peuvent diminuer l'efficacité de la membrane et réduire la durée de vie du système. L'alumine activée est utilisée comme agent de séchage primaire dans ces systèmes pour éliminer l'humidité en vrac à un niveau suffisant pour la plupart des processus. Pour les applications plus exigeantes nécessitant un séchage plus profond ou l'élimination du CO₂, des tamis moléculaires sont utilisés en raison de leur capacité d'adsorption plus élevée. Les tamis moléculaires de type 4A ou 13X peuvent éliminer l'humidité et le CO₂ à des niveaux très élevés. Ainsi, les membranes sont bien protégées et le système peut fonctionner de manière stable dans des conditions de travail élevées. Le gel de silice est appliqué moins fréquemment, mais il est parfois utilisé dans la première étape pour éliminer la majeure partie de l'humidité et pour réduire le travail de l'alumine activée et des tamis moléculaires.

Bien que la séparation par membrane ne permette pas d'atteindre le même niveau de pureté que les techniques PSA ou cryogéniques, la faible consommation d'énergie, la compacité et la simplicité de la méthode la rendent utilisable lorsque des niveaux modérés de pureté de l'oxygène sont suffisants.

Conclusion

La production industrielle d'oxygène repose sur diverses méthodes adaptées à des besoins spécifiques : La distillation cryogénique pour l'oxygène de haute pureté, l'adsorption modulée en pression (PSA) et l'adsorption modulée en pression sous vide (VPSA) pour la pureté moyenne et la séparation membranaire pour les solutions compactes de pureté modérée. Dans toutes ces méthodes, le séchage à l'air est essentiel, d'où l'importance des tamis moléculaires. En effet, ils ont une plus grande capacité à adsorber l'humidité et le CO₂, ce qui améliore la fiabilité et l'efficacité du système. En raison de leur précision, de leur robustesse et de leur polyvalence, les tamis moléculaires restent un élément essentiel de la production contemporaine d'oxygène et aident diverses industries à obtenir des résultats fiables.

Comment les tamis moléculaires de Jalon permettent une production d'oxygène efficace et fiable

Jalon fabrique des tamis moléculaires depuis plus de 20 ans, possède 112 brevets enregistrés et exporte ses produits dans 86 pays. Nous sommes certifiés ISO 9001 et ISO 14001, ce qui garantit à nos clients la qualité, la fiabilité et la durabilité de nos produits en fonction de leurs besoins.

Outre les tamis moléculaires conventionnels, Jalon a mis au point des produits améliorés pour la production industrielle d'oxygène. La nouvelle génération de nos tamis moléculaires, JLOX-500 et JLOX-103, augmente l'adsorption de l'azote et la sélectivité de l'azote par rapport à l'oxygène. Cela garantit un rendement plus élevé de l'oxygène, ce qui est idéal pour les systèmes industriels de production d'oxygène PSA et VPSA.

S'appuyant sur un laboratoire moderne de recherche et de développement ayant investi 14,5 millions de RMB, Jalon garantit l'amélioration constante des performances de ses produits. Que ce soit pour un usage médical ou pour la séparation des gaz industriels, les tamis moléculaires de Jalon offrent des solutions fiables et efficaces aux exigences de la production moderne d'oxygène.

Problèmes potentiels et solutions dans la production industrielle d'oxygène

Ces défis peuvent être classés en quatre catégories principales : la consommation d'énergie, la pureté, le fonctionnement, le stockage et le transport.

Consommation d'énergie

La distillation cryogénique, couramment utilisée, nécessite beaucoup d'énergie pour refroidir l'air à une température inférieure à -183°C pour la liquéfaction. Face à cette situation, les fabricants cherchent à utiliser des techniques de refroidissement efficaces sur le plan énergétique et à intégrer les énergies renouvelables dans les processus de production.

Maintien de la pureté

Le dioxyde de carbone, l'eau ou l'argon peuvent contaminer l'oxygène, ce qui n'est pas bon pour les applications qui exigent des niveaux élevés de pureté de l'oxygène, comme dans les établissements de santé. Des systèmes de séchage à haute efficacité, tels que les tamis moléculaires, ainsi qu'un contrôle et une filtration continus garantissent que l'oxygène fourni est de bonne qualité.

Continuité opérationnelle

Les systèmes PSA nécessitent une régénération périodique de l'adsorbant, ce qui entraîne des arrêts de production. Les systèmes dupliqués et les matériaux adsorbants avancés, y compris les tamis moléculaires à haute capacité, réduisent le temps de défaillance de l'équipement et augmentent la productivité.

Stockage et transport

Le stockage et le transport de l'oxygène nécessitent également des récipients spécifiques tels que des bouteilles à haute pression ou des réservoirs cryogéniques qui doivent être inspectés fréquemment. Les progrès réalisés dans le domaine des supports de stockage légers et robustes et de la production d'oxygène sur site éliminent les problèmes liés à la gestion de la chaîne d'approvisionnement.

Malgré ces défis, la production industrielle d'oxygène est toujours en mesure de répondre aux besoins des différentes industries grâce à des technologies modernes et à des pratiques efficaces.

Technologies émergentes et innovations dans la production industrielle d'oxygène

L'avenir de la production industrielle d'oxygène passe par l'innovation, qui permet de rendre les procédés plus efficaces, plus durables et moins coûteux. Les nouveaux développements dans le domaine de la distillation cryogénique visent à réduire la consommation d'énergie, qui est l'un des principaux facteurs de dépense. De nouvelles technologies de refroidissement sont en cours de développement afin de réduire la puissance nécessaire pour atteindre des températures inférieures à -183°C et améliorer l'efficacité de la production d'oxygène à grande échelle.

Dans la technologie PSA, de nouveaux matériaux adsorbants plus performants, tels que les tamis moléculaires, sont conçus pour améliorer l'adsorption de l'azote et la sélectivité de l'oxygène. Ces matériaux augmentent la production d'oxygène, prolongent la durée de vie des systèmes et réduisent les coûts de maintenance. On tente également d'utiliser une combinaison de PSA et de techniques cryogéniques pour obtenir une pureté élevée et des coûts d'exploitation relativement faibles.

De nouvelles solutions de surveillance basées sur l'IA sont déjà en train de changer l'industrie de la production d'oxygène en fournissant une analyse des données en temps réel et une maintenance prédictive. Ces systèmes réduisent les déchets, garantissent le niveau de performance requis et contribuent aux objectifs environnementaux.

Enfin, le développement de la technologie de séparation par membrane élargit les possibilités de production d'oxygène. Ces systèmes sont petits et économes en énergie, ce qui les rend adaptés aux industries qui ont besoin de petits systèmes à des prix raisonnables.

En améliorant les technologies actuelles et en développant de nouvelles méthodes de production d'oxygène industriel, le monde est approvisionné en gaz de manière plus efficace et plus durable.