L'azote gazeux est un gaz industriel polyvalent utilisé dans de nombreux secteurs à des fins allant de l'inertage et de la purge à la congélation et à l'emballage des aliments. Cependant, les approvisionnements traditionnels via des bouteilles et des dewars peuvent être prohibitifs, dangereux et logistiquement difficiles à transporter et à manipuler.
Heureusement, les systèmes générateurs d'azote sur site utilisant adsorption modulée en pression (PSA) ou séparation membranaire Les technologies offrent une solution rentable, sûre et fiable pour extraire l’azote de l’air ambiant à des niveaux de pureté adaptés même aux applications les plus exigeantes.
Ce guide complet fournit une comparaison approfondie du PSA et de la membrane génération d'azote des approches prenant en compte les facteurs de performance clés, les considérations de coûts, les applications typiques dans lesquelles chaque technologie excelle et des recommandations pour sélectionner le système optimal en fonction de vos besoins.
Une introduction à l'azote gazeux et à ses utilisations
Avant de plonger dans les spécificités de la production de PSA et d’azote membranaire, il est utile de comprendre pourquoi les industries ont besoin d’azote en premier lieu.
En tant que gaz inerte et non réactif, certaines des principales utilisations de l'azote comprennent :
- Purge – Déplacer l’oxygène ou l’humidité de l’équipement de traitement pour prévenir la corrosion et maintenir la pureté
- Couverture – Protéger les produits chimiques et les matériaux sensibles à l’oxygène contre l’exposition/la dégradation
- Transport – Fournir une atmosphère inactive pour déplacer des objets comme de la nourriture, des appareils électroniques ou des produits chimiques
- Gelé – Tirer parti de la température extrêmement froide de l’azote liquide pour surgeler les aliments, les produits biologiques, les tissus et autres échantillons délicats
- Pressurisation – Fournir une force constante dans des applications telles que les systèmes pneumatiques
L’azote est le gaz de référence pour ces fonctions critiques dans les industries pharmaceutique, chimique, alimentaire, aérospatiale, électronique, de transformation des métaux et pétrolière/gazière.
Le respect des tolérances de pureté, de pression, de débit et de coût de chaque application distingue les générateurs hautes performances des moins performants.
Comment fonctionnent les générateurs d’azote PSA
Message d'intérêt public, abréviation de Pressure Swing Adsorption, sépare l'air atmosphérique en flux concentrés d'oxygène et d'azote de haute pureté en tirant parti des différences de tailles moléculaires et d'affinités d'adsorption.
- L'air ambiant traverse d'abord filtres pour éliminer les particules, les huiles et l'humidité
- L'air purifié s'écoule ensuite dans l'un des multiples récipients adsorbants inclus avec Tamis moléculaire en carbone (CMS) médias entourés de composants de support tels que des distributeurs et des purificateurs
- À des pressions relatives élevées à l'intérieur des cuves, le matériau CMS adsorbe des molécules d'oxygène et de gaz traces relativement petites au sein de son réseau de nanopores largement développé tout en permettant le passage préférentiel des molécules d'azote plus légères et plus simples.
- Une fois qu'un récipient adsorbant atteint sa capacité, des contrôles automatisés sont effectués indépendamment déplacer la pression en baisse près des niveaux ambiants
- Cela provoque un renversement d'équilibre où les molécules d'oxygène captives sont libérées et évacuées tandis que l'extraction de l'azote se poursuit sans interruption depuis les autres récipients.
Les étapes compensatoires de pressurisation et de régénération entre plusieurs récipients créent un cycle de séparation PSA transparent qui consomme uniquement de l'énergie électrique pour la compression de l'air, le pompage des fluides et les contrôles de processus.
Les systèmes d’azote PSA correctement conçus sont très robustes. Lorsqu'ils sont alimentés en quantité suffisante d'air prétraité et entretenus conformément aux recommandations, les générateurs peuvent produire de manière fiable de l'azote de qualité spécifiée pendant plus de deux décennies.
Comment fonctionnent les générateurs d’azote à membrane
Les séparations membranaires adoptent une approche distincte pour extraire l'azote de l'air en s'appuyant sur les différences de perméabilité innée entre diverses espèces de gaz à travers des matériaux polymères sélectivement perméables.
- Ambiant air passe d'abord à travers des filtres à particules et coalescents avant d'entrer dans les modules à membrane
- Des milliers de longues et étroites fibres membranaires fournir une vaste surface pour la séparation des gaz
- Les matériaux fibreux et les épaisseurs de paroi sont conçus pour permettre une diffusion préférentielle de l'oxygène et de l'humidité par rapport à l'azote.
- Sous des pressions manométriques maintenues, l'oxygène migre plus rapidement à travers les parois des fibres sous forme de « perméat », tandis que l'azote se déplace plus rapidement le long des alésages des fibres creuses pour ressortir purifié dans le flux de « rétentat ».
- Les évents de perméat emportent en toute sécurité les espèces à diffusion plus rapide
Sans pièces mobiles ni commandes complexes, les générateurs à membrane offrent un fonctionnement silencieux, une grande fiabilité et une installation rapide. Cependant, les limitations d’efficacité signifient que les équipements à membrane ont tendance à répondre à des demandes d’azote plus faibles avec des objectifs de pureté modérés.
Correctement utilisées, les nouvelles cartouches à membrane peuvent durer environ 5 ans avant de devoir être remplacées – une procédure simple semblable au remplacement des filtres.
PSA et niveaux de pureté de l’azote membranaire
- PSA = Jusqu'à 99,9999%
- Membrane = 95-99.5%
La séparation de l'air en azote de haute pureté et de récupération élevée pose des difficultés croissantes à mesure que les impuretés autorisées diminuent au-delà de la plage 95-99.5%.
L'obtention d'une pureté de quatre, cinq et six 9 (99,99% à 99,999999%) repose exclusivement sur la technologie PSA, où la capture en profondeur de l'oxygène alimente la génération d'azote de qualité précise.
Débits d’azote PSA et membranaire
- PSA = Conçu pour les applications d'azote à débit élevé et très élevé – débits allant d'environ 10 à des milliers de mètres cubes par heure
- Membrane = Débits d'azote généralement faibles à moyens de 5 à ~ 3 000 mètres cubes par heure
Après la préparation et la compression de l'air, les systèmes PSA exploitent plusieurs récipients remplis de CMS fonctionnant en parallèle pour faire évoluer la capacité d'azote de manière transparente sur une enveloppe exceptionnellement large sans introduire de goulots d'étranglement.
La mise à l'échelle des systèmes membranaires est confrontée à de plus grands défis en matière de dimensionnement des modules, de densités de garnissage des fibres et de gestion des charges électriques parasites que les économies d'échelle aident à contrebalancer du côté du PSA.
Certaines applications de niche des membranes s'étendent à une plus grande échelle, mais perdent généralement en rentabilité par rapport au PSA.
Compromis entre PSA et coûts d’exploitation de la membrane
| Facteur de coût | Message d'intérêt public | Membrane |
| Prix initial du système | Généralement inférieur | Souvent plus élevé |
| Consommation d'énergie | > Membrane | < PSA |
| Consommables + Pièces de rechange | Basse fréquence | Plus souvent |
| Fréquence des services | Intervalles longs | Minimum requis |
| Coût total à vie | Inférieur | Plus haut |
Contre-intuitivement, l'investissement initial plus élevé pour le PSA rapporte des dividendes via des dépenses d'exploitation inférieures sur toute la durée de vie et des délais moyens plus longs entre les pannes par rapport aux systèmes à membrane pilotés par remplacement.
Correctement entretenus, les générateurs phares PSA fonctionnent de manière fiable pendant plus de 20 ans tout en consommant des intrants énergétiques raisonnables avec une rotation limitée des consommables, ce qui se traduit par de faibles coûts par pied cube standard.
Les deux technologies génèrent de l’azote de manière plus économique que toutes les alternatives.
Industries et applications idéales pour l’azote membranaire
Aérospatial
- Tests de composants
- Souffleries
Automobile
- Cabines de pulvérisation de peinture
- Gonflage des pneus
Alimentation et boissons
- Transport sous pression
- Gaz de stockage
Gaz de fournaise, Métaux
- Atmosphères contrôlées
- Processus thermiques
Avec la simplicité et la propreté comme arguments de vente, les générateurs d'azote à membrane prennent en charge les applications à demande légère à moyenne sous des objectifs de pureté modérés comme les tests de composants aérospatiaux, les utilisations de peinture et de pneus automobiles dans la gamme 95-98%, l'inertage de transport ou de stockage de consommables et l'approvisionnement en gaz de four pour utilisateurs de l’industrie métallurgique.
Industries et applications idéales pour l’azote PSA
Production de gaz industriel
- Alimentations centrales en gaz
- Distribution en vrac
Traitement chimique
- Gaz inerte d'inertie
- Transport des réactifs/produits
Pétrole et gaz
- Récupération améliorée du pétrole
- Raclage de pipeline
Fabrication d'électronique
- Ambiances de transports
- Environnements de stockage
Traitement pharmaceutique
- Transfert sans oxygène
- Gaz de purge/de couverture
L'atteinte fiable des niveaux de pureté 99%+ à des volumes élevés et soutenus rend les systèmes PSA bien adaptés aux rôles d'approvisionnement en azote à plus grande échelle, notamment la production et la distribution centralisées de gaz industriels, la génération d'azote liquide, les secteurs chimiques et pharmaceutiques avec des limites d'impuretés strictes et les activités pétrolières/gazières à grand volume.
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Avec des mécanismes de séparation physique, des facteurs de performance étendus et diverses applications de pesée, la sélection de solutions d'azote optimales sur site correspondant à vos objectifs peut sembler une tâche difficile.
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