L'adsorption à pression alternée (PSA) est une technologie qui permet la séparation, la purification et la récupération des gaz en exploitant les différences d'adsorption sélective des composants gazeux par les adsorbants dans des conditions de pression variables. Par rapport aux méthodes traditionnelles telles que la séparation cryogénique, la PSA fonctionne généralement à des températures proches de la température ambiante ; elle est donc largement utilisée dans des applications telles que la purification de l'hydrogène, la production d'oxygène et d'azote, la purification du gaz naturel, l'enrichissement du biogaz et le traitement des gaz résiduaires industriels.
Dans divers systèmes PSA, l'adsorbant détermine les performances fondamentales de la séparation des gaz. Le charbon actif et son dérivé — le tamis moléculaire de carbone (CMS), obtenu grâce à l'ingénierie de la taille des pores — se caractérisent par des structures microporeuses abondantes, des capacités d'adsorption élevées et d'excellentes propriétés de régénération, ce qui en fait des adsorbants à base de carbone importants pour certains systèmes de séparation des gaz par PSA.
Qu'est-ce que le PSA ?
L'adsorption à pression alternée (PSA) est un procédé de séparation cyclique basé sur l'adsorption. Le principe sous-jacent est simple : les adsorbants adsorbent généralement de plus grandes quantités de composants gazeux spécifiques à des pressions plus élevées, tout en libérant les gaz adsorbés — régénérant ainsi l'adsorbant — lorsque la pression diminue. En alternant en continu des étapes telles que l'adsorption sous pression et la désorption à pression réduite, la séparation des gaz peut être réalisée en continu.
Un système PSA classique se compose généralement de deux ou plusieurs cuves d'adsorption. Tandis qu'une cuve est en phase d'adsorption, une autre peut simultanément subir une dépressurisation, une régénération ou une repressurisation. Le fonctionnement alterné de plusieurs lits d'adsorption permet au système de fournir un débit continu du gaz cible. Ainsi, le PSA ne repose pas sur une seule étape d'adsorption pour la séparation ; il permet au contraire une purification continue du gaz grâce à l'action combinée des propriétés de l'adsorbant et des cycles de pression.
Comment fonctionne le charbon actif dans le procédé PSA ?
Le charbon actif est un matériau carboné poreux caractérisé par une structure poreuse très développée. Lorsqu'un mélange gazeux traverse un lit de charbon actif, les différentes molécules de gaz présentent des comportements d'adsorption variés en raison de différences de taille moléculaire, de polarité, de point d'ébullition, d'interactions de surface et de degré d'adaptation à la taille des pores.
La technologie d'adsorption à pression alternée (PSA) s'appuie sur ces différences pour réaliser la séparation des gaz.
Par exemple, dans certains systèmes PSA à hydrogène, le gaz d'alimentation peut contenir des composants tels que H₂, CO₂, CO, CH₄ et N₂. L'adsorbant capture de manière préférentielle certaines impuretés tout en laissant passer l'hydrogène à travers le lit sous forme de gaz produit. Par conséquent, le charbon actif peut constituer l'une des couches d'adsorbant au sein d'un système PSA à adsorbants multiples.
Dans les applications industrielles concrètes, le charbon actif est souvent utilisé en association avec d’autres adsorbants, plutôt que de prendre en charge à lui seul l’ensemble du processus de séparation. Par exemple, un procédé PSA de production d’hydrogène à l’échelle industrielle a utilisé une disposition en couches de charbon actif et de tamis moléculaires 5A pour produire de l’hydrogène de haute pureté à partir de gaz de cokerie.
Charbon actif ou tamis moléculaire au carbone pour la PSA ?
Lorsqu'on aborde la question du charbon actif utilisé dans l'adsorption alternée sous pression (PSA), il convient d'établir une distinction essentielle entre le charbon actif standard et les tamis moléculaires de carbone (CMS).
Le charbon actif standard se caractérise généralement par une large distribution de tailles de pores et offre une capacité d'adsorption élevée, ce qui le rend adapté à l'élimination d'un large éventail de gaz contaminants. En revanche, le CMS est fabriqué à partir de matériaux carbonés dont la taille des pores et la structure des orifices sont contrôlées avec précision, ce qui lui confère des capacités de tamisage moléculaire distinctes.
Cette distinction revêt une importance particulière dans le domaine de la séparation de l'air. En contrôlant leur structure microporeuse, les matériaux CMS permettent d'obtenir une différence entre les vitesses d'adsorption de l'oxygène et de l'azote. Les recherches indiquent que les CMS utilisés pour la séparation de l'air nécessitent que la taille des pores soit contrôlée dans une fourchette très étroite, ce qui permet une séparation fondée sur la cinétique de diffusion des molécules de gaz.
En résumé, bien qu’il s’agisse dans les deux cas d’adsorbants à base de carbone, le charbon actif standard met l’accent sur la capacité d’adsorption et les performances d’adsorption en surface, tandis que le CMS privilégie une structure microporeuse précise et la sélectivité cinétique ; par conséquent, leurs applications prévues et leurs caractéristiques techniques diffèrent.
| Article | Charbon actif | Tamis moléculaire au carbone |
| Fonction | Adsorber les impuretés | Séparer l'O₂ du N₂ |
| Mécanisme | Équilibre | Cinétique |
| Taille des pores | À grande échelle (micro – méso – macro) | 0,3–0,5 nm, étroite |
| BET | 900 à 1 300 m²/g | 300 à 800 m²/g |
| CTC | ≥ 50–75% | N/A |
| Densité apparente | 400 à 600 g/L | 650 à 700 g/L |
| Dureté | ≥ 95% | ≥ 95% |
| Cendre | ≤ 8% | ≤ 5% |
| Taille | Granulés de Φ3/4/5 mm | perles de 0,5 à 2,0 mm |
| Utilisation principale | PSA H₂ / prétraitement / purification | PSA à base de N₂ |
| Coût | Inférieur | Plus élevé |
Applications du charbon actif dans la PSA
Le charbon actif et les adsorbants à base de carbone trouvent leur application dans un large éventail de procédés de séparation et de purification des gaz par PSA. Les différentes applications imposent des exigences variables aux adsorbants utilisés.
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Purification de l'hydrogène
La purification de l'hydrogène est l'une des applications industrielles les plus importantes de la technologie PSA. Par exemple, les flux d'hydrogène issus du reformage du méthane à la vapeur (SMR), du gaz de cokerie et d'autres effluents gazeux industriels contiennent généralement, outre l'hydrogène, des impuretés telles que le CO₂, le CO, le CH₄ et le N₂.
Les procédés PSA tirent parti des différences d'affinité d'adsorption des adsorbants pour ces impuretés, ce qui permet à l'hydrogène de traverser le lit d'adsorption sous forme de gaz produit.
Les recherches indiquent que le charbon actif est adapté à la PSA de l'hydrogène, le comportement d'adsorption à plusieurs composants jouant un rôle crucial dans la conception finale du système PSA. Dans une étude expérimentale, des essais de VPSA utilisant des granulés de charbon actif extrudés ont permis d'atteindre une pureté de l'hydrogène de 99,981% et un taux de récupération de 81,6%, démontrant ainsi l'intérêt pratique des adsorbants à base de charbon pour la purification de l'hydrogène.
Toutefois, ces données expérimentales ne peuvent pas constituer une garantie directe de performance pour toutes les installations industrielles, car les résultats finaux dépendent de facteurs tels que la composition du gaz d'alimentation, la pression, les étapes du cycle, les combinaisons d'adsorbants et la conception des équipements.
Production d'oxygène
La technologie PSA peut également utiliser des tamis moléculaires au carbone (CMS) pour séparer les composants de l'air. L'air est principalement composé d'azote et d'oxygène ; les CMS permettent la séparation cinétique de ces gaz en adsorbant l'un des composants plus rapidement que l'autre, ce qui permet de récupérer le composant restant sous forme de gaz produit.
Dans le cadre de la recherche sur la production d'oxygène par PSA, la technologie CMS est utilisée pour l'enrichissement en oxygène. Des études sont menées afin d'évaluer la pureté du produit, les taux de récupération et la capacité de production pour différentes configurations du cycle PSA. Les résultats expérimentaux montrent que les étapes spécifiques du cycle utilisées ont une influence significative sur la pureté finale de l'oxygène et le taux de récupération.
Cela met en évidence l'interdépendance entre les performances de l'adsorbant et la conception du cycle PSA ; l'adéquation d'un adsorbant à une unité PSA spécifique ne peut être déterminée uniquement sur la base de sa capacité d'adsorption statique.
Production d'azote
Le CMS est un tamis moléculaire à base de carbone couramment utilisé dans les systèmes de production d'azote par PSA. Une fois que l'air pénètre dans la tour d'adsorption, le CMS adsorbe de manière préférentielle certains composants, tels que l'oxygène ; en raison des différences de cinétique d'adsorption, l'azote traverse le tamis et est récupéré sous forme de gaz produit à la sortie du lit d'adsorption.
Pour les tamis moléculaires de carbone (CMS) utilisés dans la production d'azote, le contrôle de la taille des pores revêt une importance particulière. Les recherches menées sur les tamis moléculaires de carbone traditionnels indiquent que les matériaux nécessaires à la séparation de l'air possèdent généralement une structure microporeuse très bien contrôlée afin d'exploiter les différences cinétiques entre l'O₂ et le N₂.
Par conséquent, le CMS utilisé pour la production d'azote se distingue du charbon actif généralement employé pour le traitement de l'eau ou la décoloration en phase liquide.
Valorisation du biogaz
Le biogaz contient généralement du CH₄ et du CO₂, ainsi que des impuretés potentielles telles que la vapeur d'eau, le H₂S, les siloxanes et d'autres contaminants à l'état de traces. Les procédés PSA peuvent tirer parti des comportements d'adsorption différents de ces gaz sur l'adsorbant pour adsorber sélectivement le CO₂, augmentant ainsi la concentration en méthane.
Les tamis moléculaires au carbone ont fait l'objet d'études en vue de leur utilisation dans l'enrichissement du biogaz par PSA. Les expériences menées à cet effet ont utilisé des mélanges CH₄/CO₂ comme gaz d'alimentation afin d'étudier le comportement d'adsorption et de percée sous diverses conditions de pression et de mettre au point des modèles PSA à deux tours.
Il convient de noter que le biogaz nécessite généralement un prétraitement avant d'entrer dans l'unité PSA. Des concentrations élevées d'humidité, de H₂S, de siloxanes et d'autres impuretés peuvent nuire à la durée de vie et aux performances à long terme de l'adsorbant.
Par conséquent, la mise en place d'un système PSA complet pour le biogaz nécessite de prendre en compte non seulement l'adsorbant lui-même, mais également :
• Déshydratation
• Contrôle du H₂S
• Contrôle des siloxanes
• Filtration des brouillards d'huile et des particules
• Séparation CO₂/CH₄
• Taux de récupération du méthane
• Traitement des gaz résiduaires
Élimination de l'azote du gaz naturel
Le charbon actif peut également être utilisé pour séparer l'azote du gaz naturel. Le CH₄ et le N₂ présentant des propriétés moléculaires similaires, leur séparation constitue un véritable défi. Des chercheurs ont étudié des procédés d'élimination de l'azote du gaz naturel utilisant du charbon actif comme adsorbant dans une configuration PSA à double reflux.
Des études indiquent qu'il est possible d'améliorer la pureté du méthane et les taux de récupération en optimisant certains paramètres opérationnels, tels que le cycle PSA, l'emplacement de l'alimentation et le reflux de gaz.
Cela montre que l'adsorbant n'est qu'un élément parmi d'autres du système global d'élimination de l'azote du gaz naturel. Le choix de l'adsorbant, la conception du lit et les conditions du cycle PSA doivent être optimisés de manière synergique.
Conclusion
Le charbon actif joue un rôle essentiel en tant que matériau fonctionnel auxiliaire dans les procédés de purification et de séparation des gaz par adsorption à pression alternée (PSA). Un charbon actif haute performance spécialement conçu, doté d’une structure poreuse et de propriétés de surface optimisées, offre une sélectivité d’adsorption exceptionnelle, une forte capacité d’élimination des impuretés et des performances cycliques stables, ce qui est essentiel pour améliorer l’efficacité de la séparation des gaz par PSA, renforcer la pureté du gaz fini et prolonger la durée de vie des équipements PSA. Un choix judicieux de charbon actif spécialisé de qualité PSA permet d’éliminer efficacement les impuretés gênantes courantes telles que l’humidité, les composés organiques volatils et les contaminants résiduels présents dans le gaz brut, stabilisant ainsi l’ensemble du cycle d’adsorption et de désorption tout en réduisant les pertes d’exploitation et les coûts de maintenance des systèmes de production.
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