Techniques efficaces pour éliminer l'azote de l'air

Introduction : Importance de l'azote dans l'industrie

Tel est le pouvoir de l'azote, une ressource fondamentale dans diverses industries en raison de son inertie. Le secteur manufacturier en est fortement tributaire, et ce dans des domaines aussi variés que l'agriculture, les produits pharmaceutiques, etc. Les industries qui savent comment éliminer efficacement l'azote de l'air sont en mesure de produire de l'azote gazeux pur. La production d'ammoniac, les processus chimiques, l'emballage alimentaire et les produits pharmaceutiques sont quelques-unes des applications pour lesquelles cet azote pur est nécessaire.

La plupart des environnements contrôlés utilisés dans les différents sites de production ne pourraient être réalisés sans l'azote pur extrait de l'air atmosphérique. L'isolation de l'azote ne consiste pas seulement à l'isoler des autres gaz, mais aussi à diviser l'oxygène, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau, entre autres. Cette séparation permet de respecter les normes de qualité et de sécurité les plus élevées dans toutes les utilisations industrielles. Ces dernières années, les méthodes d'élimination de l'azote de l'air se sont considérablement améliorées en raison de l'augmentation de la demande industrielle. Cet article vise à présenter les méthodes critiques utilisées lors de l'extraction de l'azote afin de vous permettre de prendre des décisions éclairées en fonction de vos besoins spécifiques.

Aperçu des méthodes d'extraction de l'azote

Cela fait longtemps que la distillation fractionnée et d'autres méthodes traditionnelles d'extraction de l'azote sont les plus couramment utilisées et les plus efficaces pour produire de l'azote de haute pureté. Le fractionnement est une opération complexe qui comporte plusieurs étapes : tout d'abord, l'air atmosphérique est refroidi jusqu'à ce qu'il se liquéfie. Dans une colonne de distillation, cet air liquide est ensuite doucement chauffé, puis les gaz sont séparés en fonction de leur point d'ébullition. L'azote, qui bout à -195,8°C, s'évapore plus rapidement que l'oxygène, qui bout à -183°C. Cette régulation précise de la température permet d'isoler efficacement l'azote.

La distillation fractionnée présente des inconvénients notables en dépit de sa grande efficacité. Ce procédé dépend fortement de l'électricité, car il nécessite beaucoup d'énergie électrique pour maintenir les températures extrêmement basses nécessaires à la liquéfaction de l'air, ce qui entraîne des coûts d'exploitation élevés. En outre, la mise en place et l'entretien des installations de distillation fractionnée sont complexes et coûteux, ce qui les rend moins accessibles aux petites entreprises.

L'efficacité énergétique et la rentabilité sont des avantages majeurs découlant des progrès récents de la technologie. Les systèmes PSA nécessitent parfois une consommation d'énergie plus faible parce qu'ils peuvent être installés sur place, ce qui permet de réduire les coûts logistiques et d'être plus flexibles. Les systèmes membranaires se sont encore simplifiés, de sorte qu'ils nécessitent très peu d'entretien et que leur mise à l'échelle est facile. Par conséquent, bien que ces techniques ne permettent pas d'atteindre l'ultra-haute pureté que permet la distillation fractionnée, de nombreuses applications industrielles en bénéficient, ce qui en fait des options appropriées pour les entreprises qui souhaitent optimiser leurs opérations de production d'azote.

Distillation cryogénique

Explication du processus

Ce processus avancé de distillation fractionnée est la distillation cryogénique, qui est souvent considérée comme l'étalon-or de la séparation des gaz. Dans cette procédure, l'air atmosphérique se refroidit jusqu'à atteindre -196°C et finit par se liquéfier. L'air liquide est ensuite soigneusement chauffé pour atteindre progressivement son point d'ébullition, ce qui entraîne un changement spectaculaire : l'azote, l'oxygène, le phosphore et d'autres gaz inertes comme l'argon continuent à se séparer. Toute cette méthode repose toutefois sur la différence de point d'ébullition entre l'azote (-195,8°C) et l'oxygène (-183°C). Il est possible d'atteindre des niveaux de pureté élevés en extrayant d'abord l'azote liquide avant de le purifier pour éliminer les impuretés.

Il convient de noter que la distillation cryogénique permet d'obtenir une production élevée d'azote pur, avec une pureté de 99,999% parfois accessible, ce qui la rend utile en particulier dans les industries où la pureté du gaz est sacro-sainte. En outre, cette stratégie peut également être appliquée pour améliorer la fabrication efficace d'autres gaz tels que l'oxygène et l'argon, qui pourraient être des produits précieux de cette technique. De nombreuses études ont été menées pour améliorer l'efficacité de ce processus. Cependant, cette méthode consomme plus d'énergie que toute autre alternative, mais nécessite des machines complexes et un entretien important qui augmentent considérablement les coûts d'exploitation. Là encore, le capital initial nécessaire à la mise en place d'une installation de distillation cryogénique peut être très élevé, ce qui rend cette approche impraticable pour les petites entreprises dans certains cas. De même, ils se corrodent et s'usent facilement, ce qui réduit la durée de vie et l'efficacité de ces dispositifs.

Applications industrielles

La distillation cryogénique est principalement utilisée dans les industries nécessitant de l'azote ultra-pur. C'est la méthode privilégiée pour produire de l'azote pour l'industrie des semi-conducteurs, des gaz de qualité médicale et des produits chimiques spécialisés. L'azote de haute pureté est essentiel dans ces domaines pour éviter la contamination et garantir la qualité et la sécurité des produits. Par essence, cette technique convient mieux aux opérations à grande échelle qui peuvent justifier des coûts d'investissement et d'exploitation élevés.

Adsorption par variation de pression (PSA)

Principe de fonctionnement

L'adsorption modulée en pression (AMP) est une méthode utilisée pour éliminer l'azote de l'air. Elle implique l'utilisation de tamis moléculaires en zéolithe ou de charbon actif. Les tamis moléculaires en zéolithe sont des cristaux d'aluminosilicate qui présentent des pores uniformes. Ces matériaux possèdent des capacités d'adsorption sélective et sont donc parfaits pour isoler l'azote. L'air atmosphérique est d'abord comprimé avant de passer à travers un lit d'adsorbant, qui se compose principalement de zéolithe. Les molécules d'azote sont sélectivement adsorbées par le tamis moléculaire en raison de leur diamètre cinétique plus petit, tout en laissant passer l'oxygène et d'autres molécules plus grosses. Lorsque l'adsorbant est saturé d'azote, les étapes de réduction de la pression entraînent la libération de l'azote qui a été adsorbé sous forme de gaz de haute pureté. Les systèmes PSA fonctionnent de manière cyclique avec plusieurs lits d'adsorbants fonctionnant en alternance afin de maintenir une production continue d'azote gazeux. Pour obtenir une production constante d'azote et un fonctionnement efficace du système, il faut une gestion efficace du cycle et un contrôle précis des variations de pression.

Applications appropriées

Le principal avantage des systèmes PSA est leur consommation d'énergie relativement faible par rapport à la distillation cryogénique. En outre, ils peuvent être installés sur place, ce qui réduit les frais logistiques liés au transport de l'azote pur. La compacité des unités PSA les rend idéales pour les petites surfaces. En outre, les systèmes PSA offrent un service d'azote de pureté modérée à élevée qui est sensible aux coûts pour les industries qui ont besoin de ce gaz, notamment les applications dans l'emballage alimentaire où il est utilisé pour déplacer l'oxygène afin d'allonger la durée de conservation et le traitement des métaux où il fonctionne comme gaz de couverture.

Les industries intéressées par l'azote ultra-pur n'envisageraient pas les systèmes PSA car l'azote ne peut avoir qu'une pureté de 95% à 99,9%. Cependant, ces niveaux de pureté sont suffisants pour certains marchés comme le traitement des métaux et l'emballage alimentaire.

Jalon : Un fournisseur de confiance de tamis moléculaires pour la séparation de l'azote dans les PSA

Jalon est un fabricant de premier plan de tamis moléculaires, de zéolithes et d'alumines activées de premier ordre, indispensables à la séparation de l'azote dans les PSA. Jalon fabrique notamment des tamis moléculaires enrichis en oxygène qui appartiennent à la série JLOX-500 et possèdent d'excellentes propriétés d'adsorption de l'azote ainsi qu'une sélectivité entre l'azote et l'oxygène. Ces tamis sont donc devenus des composants essentiels pour une séparation efficace et cohérente de l'azote dans les usines de production d'oxygène PSA.

Production d'azote par membrane

Comment ça marche

Une autre méthode récente d'élimination de l'azote de l'air est la production d'azote par membrane. Dans ce processus, l'air comprimé passe à travers une membrane en polymère dotée d'ouvertures microscopiques. L'oxygène, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau et tout autre gaz ne sont pas autorisés à passer tandis que l'azote s'infiltre, ce qui permet d'obtenir un flux continu d'azote gazeux. L'efficacité de la méthode peut être facilement augmentée en mettant en parallèle plusieurs membranes. La pureté de l'azote peut être manipulée en modifiant la pression et le débit d'air à travers le système de membrane.

Avantages et inconvénients

Le principal avantage des générateurs d'azote à membrane est leur simplicité et leur adaptabilité. Ils consomment moins d'énergie, ont moins de pièces mobiles et nécessitent moins d'attention que les autres méthodes. En outre, ils peuvent être réglés très facilement pour répondre aux différentes exigences en matière de pureté de l'azote gazeux, ce qui en fait des dispositifs très adaptables. La production d'azote par membrane est la mieux adaptée lorsque des niveaux modérés de pureté de l'azote sont requis, par exemple dans les systèmes d'extinction d'incendie des cuisines commerciales, les stations de gonflage de pneus utilisées dans les ateliers automobiles ou même dans certaines industries d'emballage alimentaire où des coûts de maintenance réduits sont essentiels.

Cependant, les systèmes à membrane atteignent généralement des niveaux de pureté allant de 90% à 99%, ce qui peut ne pas satisfaire certaines applications de haute pureté. En outre, le temps entraîne une détérioration des performances qui nécessite le remplacement périodique des modules qui composent ces systèmes.

Comparaison des méthodes d'extraction

Niveaux de pureté

Les niveaux de pureté de l'azote produit sont un facteur crucial pour la sélection d'une méthode d'extraction. La distillation cryogénique permet d'atteindre les niveaux de pureté les plus élevés, dépassant souvent 99,999%, ce qui la rend préférable pour les applications de haute précision comme celles de la fabrication de semi-conducteurs et les applications médicales. En revanche, les systèmes PSA permettent d'atteindre des niveaux de pureté plus faibles mais significatifs, allant de 95 à 99,9%, qui sont utiles dans de nombreuses industries. Les systèmes à membrane, quant à eux, permettent d'obtenir des puretés d'azote comprises entre 90% et 99%, ce qui les rend plus appropriés pour les applications où la plus grande pureté possible n'est pas obligatoire.

Rapport coût-efficacité

Les méthodes varient en termes de rentabilité. Les systèmes à membranes sont généralement les moins coûteux à exploiter en raison de leur simplicité et de leur faible consommation d'énergie. Les systèmes PSA trouvent un équilibre entre le coût et la pureté, ce qui les rend adaptés à de nombreuses applications industrielles. Cependant, la distillation cryogénique est toujours associée aux coûts les plus élevés, car elle nécessite beaucoup d'énergie et des outils complexes très coûteux.

Exigences en matière de maintenance

Il existe également des divergences importantes entre les exigences en matière de maintenance. Les systèmes membranaires comportent moins/plus de pièces mobiles que les autres et sont donc plus faciles/plus compliqués à entretenir, ce qui entraîne une diminution/augmentation de la complexité opérationnelle, par rapport à d'autres méthodes telles que l'adsorption sur des matériaux solides utilisés dans les systèmes PSA (remplacement de l'adsorbant). La maintenance de la distillation cryogénique demande plus d'efforts en raison de sa nature complexe impliquant un équipement spécialisé capable de résister à des températures extrêmement basses.

Avantages de l'utilisation de générateurs d'azote

L'utilisation de générateurs d'azote peut entraîner des économies substantielles. La production d'azote sur site élimine la nécessité d'acheter, de transporter et de stocker des bouteilles d'azote ou de l'azote liquide, ce qui peut s'avérer coûteux et difficile sur le plan logistique. Ceci est particulièrement important pour les industries ayant des besoins élevés en azote, où les gains en termes de coûts peuvent être significatifs au fil du temps.

Les générateurs d'azote sur site garantissent un approvisionnement continu en azote, ce qui évite toute interruption du processus de production due à une défaillance de la chaîne d'approvisionnement. Ils sont également peu encombrants, car ils prennent souvent beaucoup moins de place que les grands réservoirs de stockage ou les racks de bouteilles, ce qui permet aux entreprises d'utiliser efficacement leur surface au sol pour d'autres activités essentielles.

L'utilisation de générateurs d'azote permet de réduire les impacts environnementaux liés à la fabrication et au transport de l'azote. En outre, les entreprises qui produisent leur propre azote sont en mesure d'éviter les émissions de carbone liées au transport sur de longues distances de l'azote liquide ou des bouteilles de gaz à haute pression. De plus, les générateurs d'azote modernes sont conçus dans un souci d'efficacité énergétique, ce qui réduit encore davantage leur impact global sur l'environnement.

Choisir le bon générateur d'azote pour votre entreprise

Pour votre activité, il est nécessaire de prendre en compte certains éléments lors du choix d'un générateur d'azote, tels que les exigences de pureté spécifiques, les contraintes budgétaires et le volume de production. Les systèmes PSA les plus couramment utilisés conviennent à diverses applications industrielles car ils offrent un bon équilibre entre le coût et le niveau de pureté en termes de fixation de l'azote. Néanmoins, si les opérations nécessitent de l'azote de très haute pureté, la distillation cryogénique peut être préférable, même si elle est plus coûteuse. D'autre part, les systèmes à membrane seraient idéaux lorsque les puretés ne sont pas restrictives et que les coûts de maintenance doivent être maintenus à un faible niveau. Des recherches approfondies ont montré que s'il existe des moyens simples de produire de l'azote, une nouvelle méthode révolutionnaire comme la distillation cryogénique se distingue pour les besoins de pureté élevée, malgré des coûts plus élevés.

Conclusion

L'extraction de l'azote de l'atmosphère est vitale pour de nombreux processus industriels et dépend de besoins spécifiques tels que la rentabilité, les niveaux de pureté et la maintenance. Cette connaissance permet aux entreprises de choisir un générateur d'azote en fonction de leurs besoins spécifiques, ce qui leur garantit un approvisionnement en azote fiable, économique et respectueux de l'environnement pour leurs installations. En adoptant cette approche, les industries seront en mesure d'optimiser leurs processus de fabrication, d'améliorer la qualité des produits et de réduire les coûts d'exploitation.