Dimensionnement d'une colonne d'adsorption

[invite720113d0]

Bonjour,

J'ai a concevoir un générateur d'oxygène et j'ai trouvé que ça consiste essentiellement à adsorper l'azote (émanant d'air comprimé) grâce à une matière poreuse dite zéolithe. Je dois ainsi dimensionner les colonnes d'adsorption ayant comme entrée l'air comprimé et comme sortie de l'oxygène. Ces colonnes vont être garnies de lits de zéolithe.
Je me demande à ce point, comment se fait le dimensionnement des colonnes d'adsoption? Quelles normes suis-je censée utiliser ?

Toute information, remarque ou recommendation est la bienvenue.
Merci d'avance.
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[40CDV20]

Bjr,
Dans le cas présent on parle non pas de zéolithe mais de tamis moléculaires, qui sont des zéolithes synthétiques dont les cavités quasi sphériques ou cages sont strictement calibrées (tamis 3A, 4A, 5A, 10X et 13X). Il existe deux options, soit le tamisage stérique (d'où le nom), soit l'adsorption pure.
option 1 : les molécules ont la possibilité ou l'impossibilité de pénétrer les cages ex. pour un TM 3A, NH3 est adsorbé, CH4 est refoulé,
option 2 : les molécules sont toutes passantes, la séparation n'est pas systématiquement acquise et si elle se fait ce sera sur l'affinité d'adsorption.
Cdt.

[40CDV20]

Re,
J'en oublie un bout,...
Pour aller plus loin il faut préciser le type de fractionnement retenu, soit l'adsorption préférentielle de N2 sur TM 5A ou 13X, soit la séparation par effet cinétique
sur TM 4A.
Cette fois c'est complet !
Cdt.

[invite720113d0]

Bonjour,
Je vous remercie pour les informations données.
D'après mes recherches, je pense que je devrais choisir l'adsorption préferentielle de N2 sur un TM 5A. Auriez-vous d'autres conseils de dimensionnement à ce sujet.
Merci d'avance.

[A voir en vidéo sur Futura]

[40CDV20]

Bjr,
Il faut être plus précise et surtout complète. J'immagine que ce dont tu parles est un "concentrateur d'oxygène" à usage médical ou équivalant ?
Si c'est le cas il s'agit "d'adsorption dynamique d'un seul gaz adsorbable". Avec ça tout le monde comprend. De façon générale, tout au moins en milieu professionnel le premier point consiste à définir un "dossier d'exigences techniques", ensuite on dimensionne pour satisfaire.
Si tu retiens un TM 5A, on va recueillir en sortie le dioxygène, car l'azote est préférentiellement adsorbé. On va considérer qu'il n'y a ici aucun effet de tamisage stérique.
Ton option retient la "régénération par dépressurisation", on dispose de deux options, l'adsorption modulée en température ou en pression. Ici c'est le second, désigné également par AMP (pressure swing adsorption). L'intérêt de cette option sera de disposer de dioxygène très pur et de pouvoir produire des cycles d'adsorption-désorption ultra rapides, ce dernier point à considérer dans le dimensionnement.
On rappelle les séquences :
1 injection d'air au point bas dans le réacteur régénéré et à basse pression : compression
2 la vanne de sortie au point haute s'ouvre on recueille O2 : production
3 la vanne de sortie se ferme l'air se détend, N2 se désorbe au point bas : décompression
4 la vanne de sortie s'ouvre, de l'air est introduit (sous la pression souhaitée) et N2 est chassé au point bas : purge.
C'est bien de ceci dont tu parles ?
A noter, sur un TM 5A, le facteur de séparation 02/N2 est modeste, de l'ordre de 3/3.5 à +25°C sous env 0.45 MPa. Il est aisé de comprendre que pour une production d'O2 continue il faut disposer de cycles ultra rapides et/où de multiplier le nombre de réacteurs.
Cdt.

[ecolami]

C'est interessant tout ça! Je n'en ai pas besoin mais je ne connaissais pas les détails. (je suis retraité depuis peu)

[invite720113d0]

Bonjour,

Mon générateur d'oxygène va servir à alimenter des machines d'oxycoupage en oxygène donc ça n'est pas à usage medical. Et comme vous l'avez mentionné, je vise l'adsorption de l'azote par des zéolithes et la production de l'oxygène, ceci en partant d'air comprimé. Il s'agit effectivement d'un générateur PSA où la regénération du tamis moléculaire se fait par dépressurisation. J'avais envisagé à un certain moment d'utiliser la technologie VSA vu qu'elle est moins coûteuse en matière de consommation d'électricité mais elle s'est averée incapable de produire une pureté d'oxygène estimée à 99.5% et qui est requise pour l'operation d'oxycoupage (l'oxycoupage devient impossible avec une pureté d'oxygène inférieure à 95%).
Concernant le tamis moléculaire à choisir, je me demande si le TM 13X a un facteur de séparation O2/N2 plus important que le TM 5A.
Auriez-vous des informations sur la quantité du TM nécessaire pour la production d'une certaine quantité d'oxygène ?

Merci d'avance.

[invite720113d0]

Aussi, est ce que l'utilisation d'un autre TM en plus de TM 5A/13X tel que AgLiLSX augmenterait la pureté de l'oxygène généré ?

Cordialement.

[40CDV20]

Bjr,
C'est mieux précisé, d'autres intervenants vont se manifester.
En ce qui me concerne, dans le cadre du développement d'un département de métallurgie avancée à visée aérospatiale, j'ai examiné la faisabilité d'un générateur d'oxygème de type AMP de classe "démonstrateur". A préciser, en substitution de la solution cryo existante. Ceci remonte au début des années 80 et nul doute que la ligne de front a bougée depuis.
A l'époque il était aisé d'obtenir une pureté de l'oxygène de 95 à 97% sur TM 5A. Par contre, il n'était pas dans l'air du temps d'envisager une exploitation industrielle, au plein sens du terme, du procédé. Les plus gros modules à source continue ne dépassaient guère 10/12 colonnes avec à la clé une sérieuse complexité de commutation. Plusieurs modèles mathématiques ont été proposés mais sans grande suite.
Ce qui est important est de mieux comprendre la cinétique de l'adsorption car elle conditionne la mise en oeuvre des adsorbants. La connaissance des coefficients de diffusion effective, donc des vitesses d'absorption est essentielle. Ce coefficient est en relation avec la pression, la température le type de gaz et l'adsorbant bien entendu. Si le TM5A est majoritairement utilisé pour la concentration d'O2, le TM 4A quant à lui permet d'obtenir de l'azote de très haute pureté, l'oxygène étant adsorbé beaucoup plus rapidement. Pour le dimensionnement, il faut considérer des aspects élémentaires, besoin horaire, ratio de l'oxygène dans l'air, le volume et la section des colonnes,... et d'autres, telle la durée de passage qui sera la plus courte possible, ce qui implique un cycle rapide des 4 séquences, en 60/90 secondes.
Ici, il y a un vrai travail d'expérimentation. Je doute qu'il possible de progresser rapidement en se limitant à tester tous les TM et adsorbants disponibles, mais pourquoi pas ?
En ce qui concerne les "nouveaux adsorbants" disponibles à l'époque, TM carboné, silicalite et autres polymères,...ça c'est révélé sans grand intérêt exeption faite du TM carboné 3A pour la production d'azote de haute pureté. Pour le LiLSX, je suis quasi sec, j'avais noté sur la toile une thèse intéressante où il en était question, mais par manque de temps et/ou par paresse je ne l'ai pas lue. J'essaie de la retrouver et de la poster.
Cdt.

[40CDV20]

Re,
http://www.academia.edu/6443035/Etud...par_adsorption
Cdt.

[invite720113d0]

Bonjour,

C'est exactement ce que je cherche; je n'ai aucune idée sur comment je pourrai trouver le diamètre et l'epaisseur des colonnes. Je suis de vocation mécanique et c'est le processus de dimensionnement qui m'interesse le plus. Le côté chimique de la problématique ne m'interesse pas autant que ça, j'essaie de rassembler des informations de recherches déjà conduites à ce niveau.
Donc si j'ai bien compris, il me faut connaitre le pouvoir d'adsorption du TM 5A afin de détérminer la quantité requise. Je me demande comment doit être le plateau sur lequel va reposer le TM ? Est ce qu'il est impératif de placer des billes de céramique en bas et en haut de la colonne afin de protéger le TM contre toute contamination ? Si oui, quelle est la quantité exigée ?

Merci d'avance

[40CDV20]

Bjr,
Parfait,... il n'y a aucun mal à ne pas vouloir se passionner pour la chimie (ou plus exactement ici, pour la physique) au delà du strict nécessaire. Il est simplement préférable et productif de le préciser d'entrée. De mon point de vue, comme il s'agit de compétences croisées il n'y a pas lieu de craindre un désintérêt des posteurs.
Il faut avant tout disposer d'un dossier d'exigences techniques, taux de pureté d'O2, débit horaire, caractérisation de la source (taux d'humidité, d'huile,...), d'éventuels aspects de coût, niveau d'automatisation du module, choix des modes de commutations....
Ceci posé, il convient de disposer des caractéristiques des TM disponibles sur le marché, via les FT des producteurs majeurs, RP chimie, CECA,...
On pose également le choix d'un module à 2 colonnes, car le fonctionnement est plus souple et plus aisé à optimiser.
Viens ensuite le dimensionnement des colonnes. Ici, trois options (dûment constatées sur le terrain), soit :
-on part d'un module qui fonctionne (achat d'occasion, prêt, location,...) et on duplique en améliorant si besoin.
-on procède par expérimentation à partir de colonnes de labo, ce qui revient à déterminer les ZTM (ou zone de transfert de masse).
-on procède par calcul. C'est assez consistant, il s'agit d'équations différentielles dont les solutions sont données par des fonctions intégrales complexes. Il existe nombre d'ouvrages de référence traitant du sujet, tel celui çi :RUTHVEN (DM) Principes of adsorption and adsorption process. NY 1984 J.Whiley.
Il faut bien comprendre que si les séquences sont aisées à saisir, dans les faits ça s'avère plus compliqué. Quand on fait circuler un mélande gazeux binaire (constitué d'un gaz 1 (G1) adsorbable et d'un gaz 2 (G2)non adsorbable ou adsorbable à une valeur très faible) dans une colonne chargée de TM, on constate la formation de deux fronts. Le premier sépare l'espace de la colonne vide de tout gaz, d'une partie contenant seulement G2. le second front sépare cette partie G2 d'une autre partie proche de l'entrée contenant encore un mélange G1+G2.
Quand le premier front atteint la sortie de la colonne on recueille de l'O2 de haute pureté et ce jusqu'à ce que le second front arrive à son tour en sortie de colonne. Il s'agit donc de disposer de dispositifs de commutation performants, parfaitement pilotés car la moindre turbulence est de nature à remélanger les gaz.
Bien entendu, la charge de TM doit être "calée" mais sans contrainte excessive, des tamis supports calibrés font généralement l'affaire. Je ne sais pas dire si une couche intermédiaire de microbilles de céramique apporte un réel plus, mais si c'est le cas il faut la limiter à la couche basse, du fait d'un gros écart de densité et du risque de migration.
Oui, effectivement les parts mécanique et automatisme d'une telle réalisation sont importantes.
Cdt

[invite720113d0]

Bonjour,

Désolé d'avoir tardé de répondre, j'étais plongée dans le calcul du débit horaire. Maintenant que j'ai pratiquement fixé les TM à utiliser, la pureté et le débit horaire je pense que je peux passer au dimensionnement de mes reservoirs d'air comprimé purgeant dans le générateur d'oxygène, des colonnes d'adsorption ainsi que du réservoir d'oxygène où l'oxygène produit sera stocké.
Pour les trois démarches proposées, je ne suis censée ni acheter ni experimenter car ma tâche est de dimensionner mais vous avez signalé que du calcul laborieux m'attend à ce niveau et ceci met en question ce que j'ai compris jusqu'à présent. Je pense que si je dispose d'une isotherme du TM utilisé je vais avoir les moles d'azote / d'argon adsorbées par un Kg de TM par exemple ainsi je pense pouvoir trouver la quantité requise de TM et donc épaisseur et longueur de la colonne d'adsoprtion. Veuillez me corriger si je comprends mal. Je vais jetter un coup d'oeuil sur le livre que vous avez proposé.

je vous remercie pour vos réponses.

[40CDV20]

Bjr,
Globalement c'est ça. Pour décrire les isothermes d'adsorption des gaz permanents, il y a eu quantité de propositions mais celle qui demeure très utilisée est l'équation de Langmuir.
On considère par principe que la surface du TM est homogène, que les molécules adsorbées sont sans interaction entre elles et qu'elles ne forment qu'une seule couche continue à la surface du TM. On arrive ainsi à quantifier. De mon point de vue c'est suffisant.
Bien entendu la surface du TM n'est pas strictement homogène pas plus que l'on ne peut certifier qu'il n'existe aucune interaction de type répulsion ou attraction. Des travaux ont été conduits pour affiner l'équation de Langmuir mais je ne sais pas ce qu'il en est ressorti ?
Un temps on lui opposait la relation de Freundlich basée sur des constantes du couple gaz/adsorbant mesurées expérimentalement. Elle est également d'application pratique.
Je vais regarder si je trouve quelque chose la dessus.
Cdt.

[invite720113d0]

Bonjour,

D'accord, je vais voir dans ce sens.
Merci beaucoup pour ces informations.

[invite720113d0]

Bonjour,

Je reviens encore une fois. Je me demande quels sont les paramètres permettant le calcul du débit delivré par le générateur d'oxygène (Colonnes d'adsorption) ? Devrais-je définir complètement le compresseur d'air à utiliser ?

Merci d'avance.

[40CDV20]

Bjr,
Vous n'avez pas trouvé les équations de Langmuir et Freundlich ?
Cdt.

[invite720113d0]

Bonjour,
Si, j'ai appris que l'adsorption des zéolithes est régit par l'isotherme de Langmuir, je l'ai trouvé mais je ne sais pas comment l'utiliser et d'où tirer les paramètres en question.

[40CDV20]

Bjr MariaGom,
Vous êtes sur tous les fronts, Xéna la guerrière a tout intérêt à bien se tenir
Vous n'avez rien dit de votre structure, et après tout ça ne me regarde pas, mais j'ai le sentiment que vous ne disposez pas d'une grande aide en interne.
Tant pour Langmuir que Freundlich il y a plusieurs écritures possibles, en masse, en volume,... quant aux constantes il faut vous rapprocher de ceux qui les utilisent au quotidien c'est à dire les producteurs de tamis moléculaires. Sans compter qu'en manoeuvrant avec finesse il devrait être possible d'avoir un avis technique sur votre concept et particulièrement sur les commutations.
Une fois que vous avez regroupé tout ce qui vous manque, je vous suggère de passer sur le forum maths et de leur demander de mettre tout ceci en ordre si et surtout si, vous devez rendre un dossier de définition technique.
Si ça peut vous êtes utile je peux vous passer un feuillet de notations par email (en MP).
Bon courage.
Cdt.

[invite720113d0]

Oui, je ne dispose pas d'aide en interne alors je cherche des indications de l'exterieur.
Je sais également que ça ne vous concerne pas et je vous remercie pour l'intérêt que vous avez prêté à mes messages.
Ca serait gentil de votre part si vous m'envoyez le document dont vous parlez.
Merci encore une fois.

[40CDV20]

Bjr,
Pas de souci, communiquez moi en MP une adresse mail valide.
Cdt.