La production d'azote s'effectue de plus en plus sur place
Autocontrôle de la quantité, de la pureté et de la pression disponible
L'azote est utilisé dans l'industrie à grande échelle et dans une grande variété de secteurs. Cela va de l'industrie alimentaire, métallurgique et électronique à l'industrie chimique et pharmaceutique. Dans de nombreux secteurs, les entreprises passent à la production de leur propre azote au moyen d'un générateur d'azote. Deux techniques s'y prêtent parfaitement: la technologie à membrane et la technologie PSA.
Inerte
Dans des circonstances normales, l'azote est un gaz inerte, inodore et incolore, qui est sans danger pour les personnes et l'environnement. Cet élément a des applications dans diverses branches de l'industrie.
L'azote gazeux (N2) est utilisé, entre autres, comme antioxydant pour prolonger la durée de conservation des produits, comme gaz protecteur pour le conditionnement sous atmosphère protectrice, pour l'inertage et pour la prévention des incendies en créant une atmosphère pauvre en oxygène. L'azote est également un ingrédient important dans la fabrication d'engrais, la lixiviation de l'or et la production d'explosifs.
L'azote liquide est utilisé dans l'industrie alimentaire pour congeler les produits, dans les centrales nucléaires comme matériel d'extinction lorsque le réacteur devient trop chaud, dans diverses industries pour pulvériser plus facilement certaines substances et, par exemple, comme enveloppe froide dans le cryostat des aimants supraconducteurs afin de réduire le rayonnement thermique du bain d'hélium liquide situé à l'intérieur.
Options
Il existe essentiellement trois façons d'obtenir de l'azote gazeux de haute qualité.
Réservoir d'azote gazeux (de location) sur place
On utilise ici un réservoir d'azote liquide dont le contenu est réapprovisionné par transport en vrac à partir d'un lieu de production central. Sur place, l'air comprimé liquéfié est distillé et divisé en différents gaz, dont l'azote constitue la partie principale. Cet azote, qui présente presque toujours la même pureté élevée, est ramené en phase gazeuse par évaporation. Ce processus nécessite beaucoup de chaleur.
achat de bouteilles d'azote gazeux à haute pression
Ce 'gaz en bouteille' – un sous-produit de la méthode de production décrite ci-dessus – est disponible avec la même pureté (élevée). Toutefois, l'utilisation de gaz en bouteille n'est pas envisageable lorsque la consommation d'azote gazeux est élevée.
Auto-génération avec de l'air comprimé
Les entreprises optent de plus en plus pour la production sur site, laquelle ne requiert aucune autorisation distincte. Les avantages sont évidents: cela permet de contrôler la quantité d'azote, sa pureté et la pression à laquelle il est utilisé. Parmi les autres avantages, citons le contrôle logistique, l'absence de problèmes de stockage cryogénique, l'absence de déchets dus aux pertes par évaporation (perte de produit froid) et éventuellement aussi un avantage financier et la stabilité des prix.
L'azote est obtenu en utilisant des générateurs d'azote, généralement en combinaison avec une installation d'air comprimé déjà opérationnelle. La production sur site fonctionne mieux lorsque la qualité est ajustée à la pureté souhaitée; en principe, il est possible d'obtenir toutes les puretés souhaitées. Pour une production d'azote efficace , il est donc important de connaître la pureté requise pour chaque procédé.
Technologie à membrane
Le cœur des générateurs d'azote à membrane est constitué d'un module à membrane (diamètre d'environ 10 cm) rempli de petites fibres polymères creuses. La première étape du processus est la perméation, au cours de laquelle de l'air comprimé sec et propre est introduit dans le générateur. Grâce à la structure des fibres, une partie de l'air comprimé entrant dans le générateur s'écoule vers l'extérieur des fibres. En raison du taux de perméation relativement élevé de l'eau et de l'oxygène, ces derniers quittent le module assez rapidement par la sortie perméat. Comme le taux de pénétration de l'azote est considérablement plus faible, ce gaz reste dans la membrane.
Les générateurs d'azote équipés de modules à membrane à fibres creuses rejettent de l'oxygène et d'autres gaz en direction de l'air ambiant. Les modules à membrane ont une durée de vie théorique de 10 ans, qui est raccourcie par des problèmes tels que la contamination par de l'air comprimé de mauvaise qualité, la dégradation par les vapeurs de solvant et/ou l'ozone qui peut avoir pénétré dans l'air comprimé.
En commutant plusieurs modules à membrane, il est possible d'obtenir une pureté de l'azote allant de 95% (montage en parallèle) à 99,9% (montage en série). Pour les petits volumes, on utilise des générateurs à membrane d'une pureté allant jusqu'à 99,5 %; pour les volumes croissants, cela commence à 99 %.
L'efficacité de la production d'azote dépend du degré de pureté requis
Pressure Swing Adsorption
Cette technique permet de séparer l'azote et l'oxygène en liant les molécules d'oxygène à un tamis moléculaire de carbone, le Carbon Molecular Sieve (CMS). Cela se fait alternativement dans deux cuves sous pression remplies de CMS: un récipient est actif tandis que l'autre se régénère en vue de la prochaine phase d'adsorption.
Lorsque l'air comprimé entre dans le premier récipient sous pression, les molécules d'oxygène pénètrent dans les pores du tamis de carbone; les molécules d'azote sont trop grosses pour ça et passent 'sans encombre' le tamis de carbone. Après avoir quitté le système, cet azote est immédiatement utilisable. Une petite partie de l'azote produit est acheminée vers le deuxième récipient sous pression pour la régénération. Lorsqu'on relâche la pression à cet endroit, le CSM perd sa capacité à se lier aux molécules d'oxygène. Ces dernières sont libérées et emportées par le petit flux d'azote du premier récipient sous pression.
Avant la 'commutation' – d'où le nom 'pressure swing adsorption' (adsorption par variation de pression) –, la pression dans les deux récipients est égalisée. Le CMS dans le premier récipient sous pression devient saturé tandis que le second récipient sous pression est régénéré. A la fin du cycle, la pression dans les deux cuves est égalisée, après quoi le rôle des deux cuves s'inverse. La pureté de l'azote gazeux produit se situe en moyenne entre 95 et 99,999 % mais dans certaines circonstances, on peut atteindre des puretés encore plus élevées.
Le principal avantage de cette technologie par rapport à la technologie à membrane est le fait que, pour atteindre le même résultat, on a besoin de 40% d'air comprimé en moins pour des puretés plus élevées, à condition d'exploiter pleinement la capacité de la PSA. La technologie PSA permet également d'atteindre une plus grande pureté. En revanche, avec la PSA, il est beaucoup plus complexe de modifier la pureté paramétrée qu'avec la technologie à membrane.
Travailler en toute sécurité avec l'azote
L'exposition à un excès d'azote comporte des risques pour la santé. L'azote gazeux déplace l'oxygène nécessaire à la respiration. L'azote libéré à l'air libre ou dans un local bien ventilé ne présente aucun danger; l'azote liquide s'évapore (1 l d'azote liquide produit 600 l d'azote gazeux). L'azote liquide (-196 °C) peut causer des brûlures (graves) au contact d'une surface de peau non protégée.
Lorsqu'on travaille avec de l'azote, il faut prévoir non seulement des EPI standard mais aussi des mesures supplémentaires pour éviter l'inhalation d'air contenant une quantité insuffisante d'oxygène et le contact avec la peau (azote liquide): avec de l'azote gazeux, un compteur d'oxygène personnel et une alimentation en air respirable indépendante; avec de l'azote liquide, un compteur d'oxygène personnel, des vêtements de travail fermés, un écran facial (intégral), des gants cryogéniques et un tablier cryogénique.
Exigences en matière de processus
La première exigence est que l'air comprimé soit propre et sec. Cela améliore la qualité de l'azote et empêche l'humidité présente de causer des dommages aux modules de la membrane et aux tamis de carbone. Un sécheur est donc nécessaire. Si l'air comprimé fourni passe par un compresseur lubrifié à l'huile, il faut également installer un filtre à huile à coalescence et un filtre à charbon pour éliminer les impuretés de l'air comprimé.
Plus la pureté souhaitée est faible, plus on retire d'azote de l'air et moins il faut d'air comprimé. Cela signifie que la consommation d'énergie du système de compresseurs est plus faible (voir tableaux). La pureté de l'azote produit – en particulier lorsqu'il est généré à partir d'air comprimé profondément séché (point de rosée sous pression de -40 °C) – peut également être affectée négativement par des fuites dans le système de tuyauterie. Le gaz séché est hygroscopique et attire l'humidité ambiante, bien que la pression locale soit plus élevée que celle d'où provient l'humidité. Des fuites d'azote se produisent également, avec pour conséquence une baisse du niveau d'oxygène dans la zone concernée, avec toutes les conséquences qui en découlent. Il est donc important que l'étanchéité de l'installation d'azote soit régulièrement vérifiée.
Avec la coopération d'Atlas Copco, Avilo, Geveke et Presscon
